Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 2925
https://doi.org/10.69639/arandu.v11i2.475
Viabilidad Económica: Convirtiendo botellas de plástico
desechable de tereftalato de polietileno (PET) en combustible
líquido por proceso de pirólisis
Economic Feasibility: By converting disposable polyethylene terephthalate (PET)
plastic bottles into liquid fuel by pyrolysis process
José Adolfo Arízaga Mondragón
jarizagam@unemi.edu.ec
https://orcid.org/0009-0003-7414-7961
Universidad Estatal de Milagro
Milagro – Ecuador
Josué Ismael Arízaga Ricaurte
Josuari98@hotmail.com
https://orcid.org/0009-0006-9441-6630
La Vienesa S.A
Durán – Ecuador
Alexis David Hernández Mella
ahernandezm7@unemi.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-8133-2642
Universidad Estatal de Milagro
Milagro – Ecuador
Artículo recibido: 20 octubre 2024 - Aceptado para publicación: 26 noviembre 2024
Conflictos de intereses: Ninguno que declarar
RESUMEN
Con este fin se centra la investigación para mejorar el consumo de estos residuos, especialmente
con los plásticos de tereftalato de polietileno (PET), exclusivamente en botellas plásticas. La
mayor parte de plásticos se acumulan en el ambiente ya que por sus características su
degradación es muy lenta pudiendo tardar hasta los 1000 años y en ese periodo de tiempo se
generan partículas más pequeñas del mismo plástico. Se realizaron pruebas para la obtención de
combustible a partir del tereftalato de polietileno (PET) mediante el proceso de pirólisis y se
pudo verificar su viabilidad económica. Este trabajo se desarrolló mediante la acción de varios
componentes para obtener este combustible, se utilizó el método cuantitativo para estos tipos de
pruebas de tal forma verificar estadísticamente su viabilidad económica mediante costo
producción en las diferentes pruebas. Se aplica un análisis comparativo de los procesos de
producción por batch con la que se relaciona la cantidad de plástico PET con la cantidad de
combustible obtenido y su temperatura de operación. Finalmente, en base a las pruebas
realizadas, se obtuvo combustible con una relación aproximada promedio de 1,2 con respecto al
material utilizado PET. Por lo que se puede concluir que esta relación puede aumentar si a futuro
se realizan cambios al proceso de pirólisis específicamente en la parte de la condensación y
realizar una mejor hermeticidad en la tapa de entrada de material al reactor evitando pérdidas de
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gas proveniente del plástico. Por el momento, se tiene una baja rentabilidad con el proceso
utilizado de acuerdo a los datos obtenido en los seis procesos, pero esto es relativo con el
mejoramiento del sistema de condensado se pueda obtener mayor cantidad de combustible. Si
se relación con el cuidado del medio ambiente, el uso de este tipo de material para la obtención
de combustible es una de las soluciones para evitar contaminación. Estos plásticos también
provocan contaminación visual del medio ambiente por envases tirados en cantidades
significativas en varios lugares de la urbe; mismos que causan inundaciones en épocas de lluvias
por taponamientos de alcantarillas y vías fluviales debido a su bajo proceso de descomposición.
Palabras clave: pirolisis, combustible, tereftalato, plástico, batch
ABSTRACT
To this end, research is focused on improving the consumption of this waste, especially with
polyethylene terephthalate (PET) plastics, exclusively in plastic bottles. Most plastics
accumulate in the environment since, due to their characteristics, their degradation is very slow
and can take up to 1000 years, and in that period of time, smaller particles of the same plastic
are generated. Tests were carried out to obtain fuel from polyethylene terephthalate (PET)
through the pyrolysis process and its economic viability could be verified. This work was
developed through the action of several components to obtain this fuel. The quantitative method
was used for these types of tests in order to statistically verify its economic viability through
production cost in the different tests. A comparative analysis of the batch production processes
is applied, which relates the amount of PET plastic with the amount of fuel obtained and its
operating temperature. Finally, based on the tests carried out, fuel was obtained with an
approximate average ratio of 1.2 with respect to the PET material used. Therefore, it can be
concluded that this ratio can increase if changes are made in the future to the pyrolysis process,
specifically in the condensation part, and a better seal is made in the material inlet cover to the
reactor, avoiding gas losses from the plastic. At the moment, there is a low profitability with the
process used according to the data obtained in the six processes, but this is relative to the
improvement of the condensate system, so that a greater amount of fuel can be obtained. If it is
related to the care of the environment, the use of this type of material to obtain fuel is one of the
solutions to avoid contamination. These plastics also cause visual pollution of the environment
due to containers thrown away in significant quantities in various places in the city; these cause
flooding during the rainy season due to blockages in sewers and waterways due to their slow
decomposition process.
Keywords: pyrolysis, fuel, terephthalate, plastic, batch
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INTRODUCCIÓN
En la actualidad se tiene un alto consumo de materiales poliméricos en nuestro país,
Ecuador. Para nuestro caso de investigación el plástico tereftalato de polietileno, exclusivamente
las botellas de plásticos, con su identificación numérica de acuerdo a su clasificación el número
uno. En la que se procede a realizar un análisis de la viabilidad económica convirtiendo las
botellas de plásticos desechables en combustible mediante el proceso de pirólisis. Hacer
combustible a partir de residuos de plásticos desechables es tan importante porque ayuda al medio
ambiente debido a que estos residuos plásticos es un gran problema debido a los años que toma
para su degradación con relación a los metales.
Este documento se justifica, porque se lo realiza en base a la perspectiva
medioambiental por el alto consumo de los plásticos y poder entender el impacto ambiental de la
producción de combustible a partir del plástico, comparándolo con otros métodos de obtención
de combustibles. Evalúa aspectos como la reducción de residuos plásticos, las emisiones de gases
de efecto invernadero y otros contaminantes asociados con el proceso.
Se tiene como principio fundamental a la termodinámica debido a que se trabaja con
calor para el proceso de calentamiento y condensación mediante fluido en recirculación con
temperatura menor de 15 °C, esto es para la condensación del gas proveniente del tanque de
calentamiento a una temperatura superior de 450 °C.
Para la determinación de la viabilidad económica, se realizan seis procesos en que se
toman valores de temperatura máxima en la que se obtiene el combustible en pequeñas cantidades.
Este proceso se lo realiza con cantidades de plástico residual entre 12 y 14 Kg. por batch. Además,
manteniendo la temperatura del agua de recirculación en los condensadores para el condensados
de gases proveniente del tanque digestor.
Este proyecto de investigación presenta un impacto directo a la sociedad en la parte
cultural y políticas públicas y medio ambiental debido al alto consumo de plásticos. De acuerdo
al Ministerio del Ambiente, Agua y Transición Ecológica, en el Ecuador, para el año 2022, se
generaron 627 toneladas de residuos plásticos, de las cuales solo el 7,7 % se reciclaron.
Como alcance se tiene el consumo residuos de botellas de tereftalato de polietileno
(PET) para la obtención de combustible mediante el proceso de pirólisis y condensado de los
gases proveniente de la combustión del tanque receptor de plástico mediante intercambiadores de
calor con recirculación de agua helada.
El pirólisis es una técnica de reciclaje en la que se da la descomposición térmica de los
polímeros en ausencia de oxígeno o con una cantidad limitada del mismo, normalmente a
temperaturas entre 300 y 900°C [4]-[7]. Dependiendo de la temperatura a la cual se dé la pirólisis
y otras condiciones de operación del proceso (como presión, flujos o carga de materia prima,
velocidad de calentamiento, tiempo de exposición, etc.), pueden obtenerse mezclas de productos
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sólidos, líquidos y/o gaseosos en diferente proporción y con diferente composición (Amar S.
et al., 2019, p. 308).
La pirólisis convencional o suave utiliza temperaturas medias o bajas, presentando una
temperatura máxima de 600 °C y un tiempo de residencia alto, entre minutos y horas [15]. Debido
a este tiempo de residencia tan alto, se prioriza la producción de materiales sólidos, minimizando
la cantidad de líquidos y gases. Respecto a la velocidad de calefacción, en este tipo de pirólisis
son bajas (entre 5-30 °C/min) y al considerar que la temperatura de pirólisis también es reducida,
este parámetro no influye en gran medida en la proporción de productos sólidos, líquidos y
gaseosos (Crespo J., 2019, p. 12).
Como antecedentes en relación al reciclado de plásticos para generar combustibles, los
primeros estudios los encaró el empresario japonés Akinori Ito el año 2011, quien busco un
proceso para producir diésel a partir de los residuos plásticos y patento un equipo, denominado
“Blest Machine”, que permite procesar polietileno, poliestireno y polipropileno, pero no botellas
PET, logrando convertir un kilogramo de plástico en un kilogramo de combustible con solo un
kilovatio de energía [UPSOCL (2015)](Rejas L. et al., 2015, p. 636).
No obstante, hasta el momento no se ha visto ninguna empresa a nivel mundial que
comercialice combustibles vehiculares tales como diésel derivado de pirólisis de plástico y menos
aún que comercialice gasolina derivada del plástico. La gran mayoría de empresas mencionadas
solo producen combustibles industriales de bajo valor para uso energético, o como materia prima
“feedstock” para otros procesos petroquímicos, en cuyo caso su valor se asimila a los crudos del
sector petrolero (Calderón F., 2019, p. 3).
Los diferentes productos de la pirolisis que se obtienen de acuerdo con la temperatura
de condensación controlada serán en función al tiempo de paso en el intercambiador de calor,
donde el gas de síntesis se transporta de una fase gaseosa a liquida. El producto de pirolisis se
conforma por gas de síntesis donde se obtendrá una fase condensable con el fin de obtener un
producto liquido por medio de un intercambiador de calor y refrigerante es necesario tener en
cuenta que la fracción liquida obtenida contiene agua como subproducto que disminuye el poder
calorífico por esta razón se hace uso de intercambiador de calor conectados en serie (1) (Carmona
Y. & Espinoza J., 2024).
Esto se resume en la conversión de los plásticos en combustible líquido mediante su
pirólisis y posteriormente condensando el hidrocarburo resultante (Salazar D. et al., 2024, p. 103).
Para el desarrollo del objetivo general de investigación Evaluar la viabilidad económica
del uso de botellas de plásticos desechables de tereftalato de polietileno (PET) en combustible
líquido mediante el proceso de pirólisis, el mismo, se sustentará con los siguientes objetivos
específicos:
- Establecer un prototipo como forma de obtención de combustible a partir del plástico
desechable mediante el proceso de pirólisis
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- Relacionar la cantidad de combustible obtenido con el peso de residuos plástico en cada
uno de los batch
- Detallar los residuos secundarios provenientes del proceso de pirólisis
Se debe de considerar que “a una temperatura de pirolisis de 400 ◦C, y media hora de
tiempo de reacción, los componentes mayoritarios son los productos sólidos, 51,15 %; cuando el
tiempo de reacción es de una y dos horas, los productos líquidos son los componentes
mayoritarios, 66,27 % y 76,72 % en promedio, respectivamente” (Proaño O. & Crespo S., 2009).
Exclusivamente para nuestro caso particular el tiempo de combustión fue muy baja,
aproximadamente entre 15 y 20 minutos.
MATERIALES Y MÉTODOS
El material utilizado para esta investigación son residuos plásticos de tereftalato de
polietileno comúnmente utilizados en botellas de plásticos para bebidas, es un material de
reciclaje. “Quiminet (2005) concluye que se reconoce con el numero “01” o también utilizando
las siglas PET, cercado por tres flechas en la base de los envases fabricados con este material,
según el procedimiento identificación creado por la Sociedad de la Industria de Plásticos
(SPI)”(Bolaño J., 2019, p. 17).
Pesado en balanzas electrónicas. Cortado manualmente en varias partes para su
utilización en el digestor. Debido a esto, se tiene varios pesos en diferentes batch. Desechando
las tapas que son de otro material polimérico.
El equipo para realizar el proceso de pirólisis, consta del siguiente diseño de acuerdo
a la figura 1
Figura 1
Equipo de pirólisis y condensadores
Entre los siguientes componentes, se encuentran: 1.- Un tanque de 55 gal, 2.-Dos
quemadores, 3.- Cuatro intercambiadores tubulares, 4.- Un tanque de 14 Kg de gas propano,
5.- Una bomba centrifuga de ¾ Hp-110 voltios, 6.- Salida de combustible y gases.
Es de mencionar que los condensadores están construidos con tubos de 6 plg. hierro
negro por donde circula el agua helada y en su interior tubo galvanizado de 2 plg. por donde
circula el gas proveniente del digestor, con altura de 80 cm, y 60cm. Las demás tuberías que
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componen a este prototipo son tuberías y accesorios galvanizado de 2 plg. y 1plg.
Adicionalmente hielo para mantener una temperatura de 14 °C el agua de recirculación
en los intercambiadores, corriente eléctrica 110 voltios, un pirómetro para el control de
temperatura en el tanque abastecedor de residuos plásticos, un extintor como medio de
seguridad. Finalmente, una botella de ½ litro para la recepción de combustible líquido
Los métodos utilizados en esta investigación se anotan los siguiente:
- El método cuantitativo. – Permite realizar y relacionar la cantidad de combustible
obtenido, la cantidad de residuo (coque), la cantidad de gas no condensado con
respecto a la cantidad de residuos de plásticos consumido, calcular el rendimiento en
rendimiento en porcentaje mediante la siguiente ecuación.(Angulo & Torres, s. f., p.
47)
%Rend. comb. = (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏. 𝑔
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑔)*100%
- El método experimental y estadístico. - Este permite relacionar el proceso de obtención
de combustible mediante el proceso de pirólisis y realizar un análisis de acuerdo a la
temperatura y tiempo de ensayo.
Para este proceso, se considera la densidad del PET, promedio de 1,4 g/cm³. Densidad del coque,
1.2 g/cm³ (Arizaga I. & Escalante J., s. f., p. 45).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Una vez concluido los seis procesos para la obtención de combustible a partir de
plásticos de botellas desechables, se procede a llenar la siguiente tabla 1. En cada uno de los
procesos se tiene la temperatura máxima alcanzada.
Tabla 1
Valores de proceso
N°
Proceso
Masa in.
(Kg)
Combustible
(ml)
Coque
(Kg)
Gas
(ml)
Temp. máx
(°C)
1
6,3
4,5
4,1
1093,1
420
2
10,0
10,6
5,5
2527,5
450
3
10,9
16,1
6,2
2588,7
460
4
11,3
15,4
7,4
1917,9
455
5
11,3
13,7
8,1
1336,3
450
6
11,1
15,1
7,0
2087,3
450
Se realiza también los rendimientos de combustibles, rechazo de combustión, coque y
porcentaje de gas que se escapa por la parte de la tapa superior del tanque y gases que no son
condensados.
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Tabla 2
Valores de proceso
N°
Proceso
Combustible
(%)
Coque
(%)
Gas perdido
(%)
1
0,1
75,7
24,2
2
0,1
64,4
35,5
3
0,2
66,5
33,3
4
0,2
76,1
23,7
5
0,2
83,3
16,5
6
0,2
73,5
26,3
Finalmente, se realizan diferentes curvas para una mejor visualización y poder realizar
los respectivos análisis de la situación que involucra el proceso plástico mediante el proceso de
pirólisis. Entre ellas, la curva de materia prima, combustible, coque vs número de proceso, figura
2.
Figura 2
Curva de materia prima, combustible, coque vs número de proceso
Y finalmente, la curva del gas que se puede pierde en cada uno de los procesos
Figura 3
Gas perdido vs número de proceso
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
Mat. prima(Kg), Comb.(ml),
Coque(ml)
N° Proceso
Curvaturas de Proceso
Materia Prima (ml) Combustible (ml) Coque (ml)
0,0
500,0
1000,0
1500,0
2000,0
2500,0
3000,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
Gas peerdido, ml
N° Proceso
N° de proceso vs Gas perdido
Gas perdido (ml)
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Con temperatura promedio de 453 °C en los cuatro últimos procesos de la tabla 1, se
observa en la figura 2, que el ingreso de materia prima guarda mucha relación del coque obtenido
con la cantidad de combustible de 14,2 ml obtenido, con la cantidad promedio de masa ingresada
al tanque, 10,9 Kg., se encuentran en la mayor parte paralelas. Es posible que puedan ingresar
más material plástico en el tanque reactor.
El corte de la materia prima se realizó de forma manual con tijeras y disco de corte.
También se observa en la figura 3, un alto desperdicio de gas que se escapa por la tapa de ingreso
de material de plástico y que sale en la última etapa de enfriamiento, debido a la falta de
condensación.
El tiempo promedio entre proceso es de 10 minutos, desde que se tiene el tanque lleno y
se enciente el quemador hasta que llega a consumirse totalmente el plástico, quedando en la
cámara residuo como el coque y obteniéndose combustible. El consumo de gas propano es bajo,
aproximadamente 1 Kg/proceso, el consumo de corriente de una bomba de monofásica de ¾ Hp
con 110 voltios y 4,8 amperios. Lo más costoso es mantener en recirculación del agua helada a
una temperatura de 14 °C, porque se utilizó dos marquetas de hielo cuyo costo unitario es de 12
dólares.
La presente investigación ayuda a tener una mejor visualización de obtener combustible
a base de botellas de plásticos residuales, en la que se determina una variable muy importante
en este proceso, la temperatura de condensación, la forma de poder condensador totalmente los
gases que provienen del tanque de combustión. Para ello tener una buena transferencia de calor
en los intercambiadores. Actualmente se tiene una relación de gas perdido por falta de
condensación con respecto al combustible obtenido de 152, calculando el promedio en los
últimos cinco procesos.
Cabe de mencionar, a base de experiencia se tiene que en intercambiadore de placa de
marcas APV, Alfa Laval o Tetra Pak es posible bajar la temperatura de recirculación de agua
helada a 3°C. Esto puede realizar una gran mejora en el proceso. Actualmente se tiene 14 °C.
En lo posible si se mejora la pérdida del 27%, que corresponde al promedio de los cinco
últimos procesos de la tabla 2, rendimiento porcentual, de gas que se escapa por la tapa de
ingreso de material y la perdida de gas por falta de condensación, se podría obtener para 20 Kg
de materia prima, 27,5 ml de combustible o un galón (considerando un galón igual a 3785 ml).
10,5 kg de coque, por lo que en ese momento sin lugar a dudas obtener combustible mediante
este método sería rentable.
CONCLUSIONES
Concluida las operaciones para la obtención del combustible mediante el prototipo
mostrado en la figura 1. Este prototipo sirvió para obtener combustible a partir de plástico
desechable, se realizaron los diferentes procesos de pirólisis. En este prototipo, se tiene la
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siguiente observación de acuerdo a la revisión de la tabla 1 de valores de proceso. Existe una gran
pérdida con respecto al gas producido por la combustión del plástico desechable, con un promedio
del 26,6 % de rendimiento porcentual de la tabla 2. Esta deficiencia se debe básicamente al
intercambio de calor de los cuatro condensadores y a la fuga de gases por la tapa de alimentación
al digestor.
Para el caso de los intercambiadores, la solución será aumentar la transferencia de calor
entre los gases provenientes del digestor y la recirculación de agua helada. Para incrementar esta
área de transferencia de calor deberá ser instalado 12 cañerías de cobre de 3/8 plg dentro del tubo
de 2 plg por donde circulan los gases con la longitud del intercambiador. El éxito de esta operación
se fundamenta principalmente en la condensación en su totalidad de los gases que provenientes
de la zona del reactor.
La cantidad de combustible obtenido en la tabla 2, en base al rendimiento promedio de los
seis procesos se tiene el 0,17 %, coque con un rendimiento promedio de 73,2 %, mientras que de
gas perdido se tienen el 26,6%. Se observa, que mientras más baja es la temperatura de
calentamiento, mayor es la cantidad de coque y menor es la cantidad de gas obtenido, por tanto,
la temperatura en proceso también es una segunda variable a controlar, es decir la temperatura
deberá estar promediando los 450 °C. Si se mejora el sistema de condensación y se recupera ese
26,6 % de gas y aumentado la capacidad del reactor, se puede concluir que sin lugar a dudas que
este prototipo, problema de estudio como método de obtención de combustible con botellas de
plásticos PET, será rentable.
Se debe de tener en consideración que las botellas de desechos son plásticos PET, son
polímeros y este tipo de plástico está en el grupo de los termofijos o termoestables, aquellos
polímeros que no aceptan ciclos repetidos de calentamiento. “Termoestables. Plásticos que se
solidifican al tener contacto con el calor, por lo que no pueden ser refundidos” (Carmona Y. &
Espinoza J., 2024)
De acuerdo con la tabla 2, valores de rendimiento, se tiene que como coque un porcentaje
promedio del 73,2 %, es un alto porcentaje que se desecha como residuo. Este coque que al final
de proceso, sin temperatura elevada en el tanque reactor, se torna frágil, que mediante un golpe
se rompe y su fácil desalojo. Este coque es desechable sin uso alguno
Vol. 11/ Núm. 2 2024 pág. 2934
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