Diseño de un Equipo de Separación de Plásticos Post-Consumo, Utilizando el Principio de Centrifugación en Medio Acuoso

D. G. Maya Investigador, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia

J. A. Medina Asesor, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia

J. Lobo-Guerrero Co-Asesor, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia

RESUMEN: Con fundamento en los principios de separación sólido - líquido, se diseñó un prototipo de un equipo de selección de polímeros por centrifugación en medio acuoso. En las pruebas realizadas sobre el pro-totipo, empleando mezclas de Polietilentereftalato (PET) y Polietileno de Alta Densidad (PEAD), en un rango de concentración del 15 al 85% en peso de PET, se obtuvo una corriente de sólidos livianos con una pureza promedio de 96.91% de PEAD y una corriente de livianos con una pureza de 99.29% de PET. Estos resulta-dos muestran la efectividad de la tecnología desarrollada para la recuperación de materiales poliméricos post-consumo, obteniendo materiales limpios de alta pureza.

ABSTRACT: With the principles of separation solid - liquid, a polymers’ sorting centrifuge prototype in wa-ter media was designed. In the tests carried out on the prototype, using mixtures of Polyethyleneterephthalate (PET) and High Density Polyethylene (HDPE), in a concentration range of 15 to 85% in weight of PET, a current of light solids was obtained with an average purity of 96.91% of HDPE and a current of light solids with a purity of 99.29% of PET. These results show the effectiveness of the technology developed for the re-covery of polymer material recycled, obtaining clean materials of high purity.

1 INTRODUCCIÓN La Industria del reciclaje de plásticos en Colombia, tiene un gran potencial de crecimiento, que no ha podido ser aprovechado debido a que aún no existe un proceso sistemático de separación mas allá del que realizan manualmente algunos establecimientos. Por lo anterior es importante desarrollar tecnologías nuevas que mejoren y dinamicen estos procesos. Es-tas deben ser de alta eficiencia, con productos poli-méricos de alta pureza, ya que estos últimos deben ser fácilmente re-procesables como materia prima en la industria.

2 TECNOLOGÍAS PARA LA SELECCIÓN MECÁNICA DE RESIDUOS PLÁSTICOS La separación de plásticos postconsumo es realizada a través de la aplicación de diferentes tecnologías. Estas emplean diferencias entre las propiedades fisi-coquímicas, de superficie, eléctricas, químicas u óp-ticas entre los polímeros. Las principales son:

2.1 Selección por humectación (flotación) Basada en las propiedades de superficie de los polí-meros y su capacidad de humectación. En un tanque se inyecta aire para hacer que los materiales hidró-fobos floten mientras los hidrófilos sedimentan en el medio líquido. Debido a la gran hidrofobicidad de los polímeros en general se adicionan surfactantes para ayudar a la separación (Michaeli y Bittner, 1996 B; Shen et al, 2002; Shibata et al, 1996; Singh, 1998).

2.2 Separación electrostática Hace uso de las características triboeléctricas o de las propiedades de conductividad eléctrica de los po-límeros. Cargándolos eléctricamente, éstos se sepa-ran según su polaridad en paneles. No produce agua residual, pero es muy sensible a la humedad e impu-rezas. Tienen elevado costo debido al consumo de energía en la generación de los campos eléctricos (Matsushita et al, 1999; Stahl y Kleine-Kleffmann, 1996).

2.3 Separación por disolución química

Se basa en la propiedad de solubilidad diferencial de los materiales en solventes con grados de compa-tibilidad diferentes. El alto consumo de solventes tóxicos y la necesidad de eliminarlos del producto por evaporación eleva considerablemente los costos (Michaeli y Bittner, 1996 A).

2.4 Procesos de separación térmica Las propiedades térmicas (punto de ablandamiento y de ebullición) son específicas para cada uno de los plásticos y se han investigado como posible criterio de separación, aunque hasta ahora no se han imple-mentado a nivel industrial, puesto que no se ha lo-grado determinar exactamente los parámetros que influencian la termoadhesión y en consecuencia la calidad de la separación (Bitter y Bletsch, 1996).

2.5 Métodos ópticos Esta técnica consiste en la adición de bajos niveles de pigmentos fluorescentes UV a los polímeros y la posterior utilización de la fluorescencia para deter-minar el tipo de polímero (Sorting It Out, 1997).

2.6 Selección de acuerdo a la densidad Se basa en las diferencias de densidad de los políme-ros con respeto al medio en el cual se encuentran. Causando que el material más liviano flote y el más pesado sedimente (Michaeli et al, 1996). Las aplica-ciones de esta tecnología son las siguientes:

2.6.1 Separación por flotación – sedimentación Bajo el efecto de la gravedad: este método necesita una gran área de trabajo y tiempo para obtener altas eficiencias de separación (Dinger, 1992). Se requie-ren equipos con un gran volumen y un alto consumo de agua (Michaeli et al, 1996).

2.6.2 Separación en un campo centrífugo horizon-tal Se basa en la aplicación de la fuerza centrífuga en cambio de la fuerza de gravedad incrementando la

velocidad de sedimentación y disminuyendo las áreas y tiempos de trabajo. En éste, el líquido de se-paración con partículas plásticas entran al aparato tangencialmente y son sometidas a la aceleración centrífuga generada por el movimiento circular. Esta aceleración dirige al exterior las partículas más pe-sadas que el fluido, mientras las partículas más li-vianas se mueven hacia el vórtice interior (Michaeli et al, 1996).

2.6.3 Selección por campos centrífugos verticales La centrífuga horizontal se llena parcialmente con un líquido separador que forma un campo anular, en virtud de su rápida rotación. La mezcla de plásticos es cargada como una suspensión en la centrífuga, donde las partículas son sometidas a fuerzas de corte verticales intensas, por lo que simultáneamente son seleccionadas y liberadas de impurezas. Las partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, se ubicarán en la parte más exterior de las paredes de la centrífuga, mientras que los componentes más livianos flotarán, incluso en el caso de las partículas finas (Unkelbach, 1996).

El mecanismo de separación por campos centrí-

fugos verticales presenta grandes ventajas frente a las demás técnicas (Unkelbach, 1996): − Es especialmente deseable para la separación de

plásticos mezclados y sucios, por su alta selecti-vidad, rapidez y porque entrega el producto la-vado y seco.

− La forma y tamaño de los sólidos no afecta gran-demente el desempeño de la máquina,

− No es sensible a la presencia de impurezas como etiquetas, puesto que las maneja como cualquier residuo plástico independiente

3 SELECCIÓN DE GRUPOS POLIMÉRICOS A SEPARAR Teniendo en cuenta factores como el tipo de resina, el consumo y la demanda potencial dentro de los procesos productivos industriales y la generación de residuos (oferta) para las condiciones de Bogotá DC, (Acoplasticos, 2003 A; Acoplasticos, 2003 B; Bran-drup et al, 1996; Engel y Goyeneche, 1997; Franco, 1994; Proactiva - UESB, 2003; Universidad de los Andes, 2000), se concluyó que el PEAD y el PET son las resinas poliméricas de mayor importancia en el reciclaje en la ciudad y se escogieron como mate-riales de trabajo

4 PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA SEPARACIÓN CENTRÍFUGA EN MEDIO ACUOSO Se realizó un desarrollo matemático partiendo del balance de fuerzas a las que está sometida la partícu-la en la zona de sedimentación (ver fig 1), a partir de lo cual se encontró las principales ecuaciones de diseño que con fundamento en la literatura (McCabe y Smith, 2002; Perry, 1984; Street et al, 1996; Sva-rovsky, 1979) permitieron diseñar el equipo El ba-lance de fuerzas general para una partícula en un fluido sometido a una fuerza externa es:

[1]

Figura 1. Fuerzas sobre una partícula dentro de centrífuga para dos posiciones

De la ecuación (1), se obtiene la expresión para la velocidad terminal, suponiendo que la aceleración neta (a) es cero, para finalmente llegar a la expresión del tiempo de sedimentación (ecuación 2)

[2]

5 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE SEPARACIÓN CENTRÍFUGA Las centrífugas de transportador helicoidal tienen la capacidad de separar grandes cantidades de material. Esta capacidad está directamente relacionada con el tamaño de los orificios de descarga (McCabe y

Smith, 2002) y es posible determinarla mediante el cálculo del factor Sigma, donde se involucran las ca-racterísticas físicas del prototipo y aplicable bajo la suposición de flujo laminar, definido así:

[3] ( )VgqRR

gL

.2.3

.2.. 2

122

2

=+=Σπω

Una vez definido el flujo y el tiempo de sedimenta-ción, es posible conocer el volumen de la zona de separación y dados el radio de la centrífuga y el del nivel de agua al interior de esta, queda determinada la longitud de la zona de separación.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= ACUamamam Dliqe

pliqe **

21**)*(* 2ρ

ρρ Sólidos

flotan-Tubería de

alimentación

Carcaza-Zona

cónica

Hélice

menor

Hélice

mayor

Ángulo inclina-

ción carcaza

Fuerza de gravedad (Fg)Fuerza por AceleraciónCentrífuga (Fc)

Fuerza de Flotación (Ff)

Fuerza de Flotación (Ff)

Fuerza de gravedad (Fg)

Fuerza de arrastre (FD)

Fuerza de arrastre (FD)

Fuerza Centrífuga (Fc)

Figura 2. Esquema del equipo de separación centrífuga - torni-llo

5.1 Descripción General Equipo construido en acero inoxidable, para resistir la corrosión generada por el agua, ensamblado hori-zontalmente sobre unos rodamientos, cuyas partes principales son una carcaza móvil, una fija y un tor-nillo transportador helicoidal con hélices opuestas a cada lado como lo muestra la figura 2. La alimenta-ción debe realizarse mediante una tubería fija ubica-da en el eje de rotación (Perry, 1984).

Una vez la mezcla ingresa a la zona de separación es sometida a la fuerza centrífuga. Los sólidos más densos que el fluido de separación sedimentan sobre las paredes del recipiente, mientras que los livianos flotan. La zona del tornillo con espiral alto transpor-ta los sólidos pesados hacia el extremo de la centrí-fuga, mientras que los livianos son arrastrados por la otra mitad del tornillo de espiral pequeño, hacia el otro extremo de la centrífuga. En ambos casos, los sólidos son transportados, escurridos y descargados directamente hacia el exterior de la centrífuga me-diante unos orificios ubicados radialmente en los ex-tremos de la misma. Mientras, el líquido sale hacia

Dliq

pliqp

CD

RRt

**3*)(

*

12

ρρρ

ω−−

=

Salida sólidos livianos Salida sólidos pesados Vertedero: Salida líquido

la carcaza exterior por un vertedero, mediante el cual se controla el nivel del fluido.

Tabla 1. Resumen parámetros finales centrífuga

Sím-bolo Parámetro Valor

1 Partícula 1 PET ρ Densidad de partícula 1 (Kg/m3) 1380 2 Partícula 2 PEAD

ρ2 Densidad de partícula 2 (Kg/m3) 960 E Espesor promedio de partícula (mm) 1,3

Dp Diámetro promedio de partícula (mm) 3,55

R2=R Radio de la centrífuga (m) = Radio exterior de la capa de líquido (m) 0,225

R1 Radio interior de la capa de líquido (m) 0,132 tT Tiempo de trabajo/día (h) 8,0 F Factor seguridad para tiempo residencia 100

Dc Diámetro Centrífuga (m) 0,450 θp Pendiente carcaza zona cónica pesados (°) 18 n Número de veces la zona de separación 15

Lh Longitud total de la zona horizontal (m) 0,150 L Longitud total de la centrífuga 0,851

Dv Diám. orificios de vertimiento sólidos (plg) 1,00 Ls L playa seca mín. desde extremo (m) 0,040

Hliqm Altura mínima nivel de líquido (m) 0,072 Hliq Altura máx. nivel líquido en centrífuga (m) 0,093 Wc Velocidad de giro de centrífuga (rpm) 370 Wa Velocidad angular neta de Avance (rpm) 40 Lhe Longitud de la hélice (m) 1,00 qper Caudal permitido para la centrífuga (l/s) 2,20 Ne Número total de espiras 7

El diseño del equipo de separación centrífuga se

fundamentó en los principios de una centrífuga de-cantadora con el Cd determinado experimentalmente (con un valor de 4.75), en criterios según la literatu-ra y en la determinación geométrica de algunas secciones del prototipo. Los resultados se muestran en la tabla 1.

Figura 3. Diagrama de Tuberías instrumentación del equipo de

separación centrífuga (P & ID)

Los planos del equipo se realizaron en el progra-ma de diseño en tres dimensiones Solid Edge® Versión 12. El prototipo cuenta con un sistema de alimentación que consiste en una tolva acoplada a un tornillo sin-fin (bomba de desplazamiento positi-vo). Además, está acompañado de Instalaciones hidráulicas, eléctricas y mecanismos de seguridad para permitir la operación automática en forma se-gura (ver figura 3)

Figura 4. Prototipo de separación centrífuga acoplado al siste-ma alimentación (tolva-tornillo sin-fin) con elementos de segu-

ridad y control

6 PRUEBAS AL PROTOTIPO Una vez construido, el prototipo fue probado bajo el diseño experimental desarrollado con el paquete es-tadístico Minitab® Versión 13.

Para evaluar la eficiencia de separación del proto-tipo, medida como la pureza de los sólidos livianos y pesados, se empleó el modelo factorial tipo 23, de 2 niveles y 3 factores: Diferencia de velocidades en-tre carcaza y tornillo (D), Nivel de líquido en la cen-trífuga (N) y Porcentaje de PET en alimentación (P).

También se analizó la variación de la densidad

del agua, el contenido de humedad en los sólidos de descarga para las diferentes condiciones de la expe-rimentación y el flujo másico de los sólidos en base seca. El análisis de datos se apoyó en la teoría de Montgomery, 2002. La tabla 2 muestra las condicio-nes bajo las cuales se desarrollaron las pruebas.

Tabla 2. Condiciones para la experimentación

VARIABLE RANGO DE TRABAJO

Parámetros Constantes Flujo de sólidos en la alimentación 100 g/min Velocidad del tornillo de alimentación 31 r.p.m. Caudal de agua promedio 7.3 l/min Frecuencia del motor tornillo de centrífuga 60 Hz Velocidad tornillo de la centrífuga 525 r.p.m.

Parámetros a analizar (Variables) Nivel (tubos) 7 - 9 cm Dif. velocidad Tornillo–Carcaza (rpm) 80 – 30 Frecuencia del motor de la carcaza (Hz) 45.8–51.2 Velocidad carcaza (r.p.m.) 445 - 495 Concentración de la mezcla de alimentación respecto al PET 15 – 85 %

Se trabajó con dos niveles de agua en la centrífuga (7 y 9 cm), dos diferencias de velocidad entre car-caza y tornillo (77 r.p.m y 27 r.p.m), y con dos por-centajes de PET en la alimentación (85% y 15% en peso), tal como se muestra en la tabla 3. Las pruebas se realizaron por duplicado en el orden aleatorio ob-tenido del diseño experimental. Los resultados pro-medio de las pruebas se observan en al tabla 4.

Tabla 3. Diseño experimental de Pruebas

Parámetros

Caso

Orden de Corridas Répli. 1 - Répli. 2

Diferencia r.p.m. carcaza

- tornillo (D)

Nivel agua

centrif. (cm) (N)

% PET en

alim. (P)

1 6 - 15 77,00 7,00 15,00 2 5 – 11 27,00 7,00 15,00 3 8 – 12 77,00 9,00 15,00 4 2 – 10 27,00 9,00 15,00 5 1- 13 77,00 7,00 85,00 6 4 – 16 27,00 7,00 85,00 7 9 – 14 77,00 9,00 85,00 8 3 – 7 27,00 9,00 85,00

7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Los resultados de las 16 pruebas, muestran única-mente las tendencias del comportamiento del proto-tipo, puesto que estadísticamente se encontró que es necesario ampliar el número de repeticiones a 6, pa-ra tener una certidumbre superior al 90% en todas las afirmaciones. Las tendencias generales son:

Tabla 4. Resultados promedio de las pruebas de separación realizadas en el prototipo

Caso Orden de Corridas

(Répl. 1-2)

Media de la Pureza de Livianos

(% PEAD en peso)

Media de la Pu-reza Pesados

(% PET en peso 1 6 - 15 99,90 98,13 2 5 – 11 94,31 97,46 3 8 – 12 99,95 99,88 4 2 – 10 99,47 99,40 5 1- 13 66,95 99,77 6 4 – 16 99,86 99,94 7 9 – 14 89,38 99,72 8 3 – 7 99,60 99,98

En las figuras 5 y 6 se observan las características físicas con que salen los sólidos ya separados en la salida de pesados y de livianos respectivamente. Las tendencias generales de la pureza, son resumi-das en la tabla 5, el resto de los resultados son co-mentados únicamente.

.

Figura 5. Muestra de la salida de sólidos pesados (transpa-

rentes: PET, blancos: PEAD)

7.1 Sobre la pureza en la descarga de sólidos − La selectividad de la separación en los dos tipos

de polímeros depende de la concentración en la alimentación favoreciendo la pureza de aquel

que se encuentra en mayor concentración en la alimentación.

Tabla 5. Patrones estadísticos para obtener una mayor pureza en la descarga.

Objetivo análisis

% PET en

alim. (P)

Tendencia nivel (N)

Tendencia Dif r.p.m. carcaza-

tornillo (D)

Variable de

mayor efecto

Livianos 15,00 + + D Pesados 15,00 + + N Livianos 85,00 + - D Pesados 85,00 + - D Livianos 15 – 85% + + P-D Pesados 15 – 85% + - P -N Liv - Pes 15 – 85% + - P (+):Creciente (-): decreciente

− Para bajas concentraciones de PET en la alimen-

tación (15%), el valor de pureza aumenta para livianos y para pesados cuando se trabaja a altas condiciones de nivel de agua (N) y de diferencia de r.p.m. (D).

− Con altas concentraciones de sólidos pesados en la mezcla de alimentación (85%), la pureza de la descarga se incrementa para el caso de los sóli-dos pesados (PET) cuando se aumenta el nivel (N) y se disminuye el delta de r.p.m. (D)

− El prototipo de separación centrífuga en medio acuoso de polímeros postconsumo ofrece exce-lentes resultados para mezclas de PET-PEAD en un rango de concentración del 15 al 85% en peso de PET, con una diferencia de velocidades entre carcaza y tornillo entre 27 y 77 r.p.m., entre-gando una pureza de separación promedio de 96.91% en peso para el PEAD y de 99.29% para el PET.

− Dentro del rango evaluado, altos niveles de agua al interior de la centrífuga generan altos porcen-tajes de pureza. La tendencia muestra que tam-bién hay un incremento en la pureza de los sóli-dos a la descarga cuando se trabaja a bajas diferencias de velocidad entre tornillo y carcaza.

7.2 Sobre Humedad

− La humedad en la descarga disminuye cuando se

emplea bajos porcentajes de concentración en la alimentación de PET, menor nivel (N) y altas di-

ferencias de revoluciones por minuto entre la carcaza y el tornillo (D)

− El contenido promedio de humedad en los sóli-dos en la descarga, para el caso de los livianos es del 49.3% y del 57.4% en los pesados, obtenien-do valores mínimos del 12.5 y 15.8%, respecti-vamente. Estos valores pueden ser disminuidos grandemente si se usa un dispositivo que separa el goteo de la descarga de sólidos, ya que los só-lidos en sí salen prácticamente secos (humedad del orden del 5%), pero el goteo permanente hace que en el tanque de recolección de la mues-tra se aumente grandemente el contenido de humedad.

7.3 Sobre la densidad del agua (medio de separación)

− El valor promedio de la densidad a la descarga

es de 1.1068 g/ml, lo cual muestra un incremento en la densidad respecto a la entrada de un 10,2%. Esto se debe a se trabajó con material postcon-sumo (de botellas de detergente líquido, de ga-seosa, de cera para pisos, etc).

7.4 Sobre caudal de sólidos en la descarga

− En general, hay mayor velocidad de descarga

(caudal de sólidos secos) cuando se trabaja con altos niveles y bajas diferencias de r.p.m.

8 CONCLUSIONES

Las conclusiones más importantes obtenidas del estudio son: − Las principales variables del diseño del prototipo

son: aceleración centrífuga, diámetro de la partí-cula y radio de la centrífuga (carcaza móvil), las cuales afectan inversamente el tamaño del mis-mo.

− El prototipo de separación centrífuga en medio acuoso de polímeros postconsumo ofrece exce-lentes resultados para mezclas de PET-PEAD en un rango de concentración del 15 al 85% en peso de PET, con una diferencia de velocidades entre carcaza y tornillo entre 27 y 77 r.p.m., entre-

gando una pureza de separación promedio de 96.91% en peso para el PEAD y de 99.29% para el PET.

Figura 6. Muestra de la salida de sólidos pesados (transparen-tes: PET, blancos: PEAD).

− La variación de la densidad en la descarga de lí-

quido, está directamente relacionada con el gra-do de limpieza de las hojuelas a separar y por es-ta razón, solo se puede decir que para el caso evaluado hubo una diferencia del 10,2% de la densidad en la salida respecto a la entrada, con un valor promedio de 1,1068 g/ml.

− La tendencia muestra que, dentro del rango eva-luado, hay un incremento en la pureza de los só-lidos a la descarga cuando se trabaja con altos niveles de agua al interior de la centrífuga y a bajas diferencias de velocidad entre tornillo y carcaza.

− El contenido promedio de humedad en los sóli-dos en la descarga, para el caso de los livianos es del 49.3% y del 57.4% en los pesados, obtenien-do valores mínimos del 12.5 y 15.8%, respecti-vamente. Estos valores pueden ser disminuidos grandemente si se usa un dispositivo que separa el goteo de la descarga de sólidos, ya que los só-lidos en sí salen prácticamente secos (humedad del orden del 5%), pero el goteo permanente hace que en el tanque de recolección de la mues-tra se aumente grandemente el contenido de humedad.

− Al comparar las condiciones más convenientes para obtener una buena pureza en la descarga de sólidos, con las condiciones que favorecen un bajo contenido de humedad (menor nivel (N) y

altas diferencias de revoluciones por minuto en-tre la carcaza y el tornillo (D)), se encuentra que son totalmente opuestas, por lo que posiblemente se tenga que sacrificar un poco la humedad en la descarga de sólidos para poder obtener una alta pureza.

− En general, hay mayor velocidad de descarga (caudal de sólidos secos) cuando se trabaja con altos niveles y bajas diferencias de r.p.m.

− El costo del prototipo construido es $28 millones de pesos, con precios especiales por ser de carác-ter investigativo. El costo estimado para la cons-trucción en precios corrientes es de $56 millones de pesos.

9 RECOMENDACIONES TÉCNICAS DEL PROTOTIPO

Se presentan algunas sugerencias para mejorar el desempeño del equipo y facilitar su operación. Estas se basan en la experiencia obtenida durante las eta-pas de construcción y pruebas de la centrífuga. Sin embargo, es necesario realizar ensayos adicionales para verificar la efectividad de cada una de ellas. Las principales recomendaciones son:

− La instalación de falda plástica en el tornillo de

arrastre de sólidos pesados, para evitar arrastre de la carcaza por el tornillo.

− El desarrollo de un sistema de recirculación de agua

− El acondicionamiento de laberintos en los ex-tremos de la carcaza fija, para evitar la descarga de sólidos a través de ellos.

− Instalación de un sistema de desviación del go-teo en la descarga de sólidos para disminuir os-tensiblemente la humedad en la descarga

10 BIBLIOGRAFÍA Las referencias que se listan a continuación son las citadas durante el presente documento, no las con-sultadas hasta la fecha en el desarrollo de la tesis.

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