El primer paso para la realización de los experimentos es la preparación de la alimentación. En esta planta experimental se llevaron a cabo experimentos con HC- Canadá, con HH-Canadá y con mezclas preparadas al 50% en peso de ambas harinas. Dado que la alimentación fue por cargas, no se realizaron operaciones de molienda ni tamizado del material, sino que se trabajó con el material tal cual había sido recibido. Además de los experimentos realizados con HH-Canadá, HC-Canadá y 50% en peso de ambos materiales, se realizaron dos experimentos adicionales en los que se usó arena como material inerte.
A continuación, dado que los rendimientos a líquido y a sólido se calculan por diferencia de pesada entre el peso antes y después del experimento, se pesan cuidadosamente los elementos de la planta (reactor, condensador y filtro de algodón).
Tras pesarlo, se coloca el material (aproximadamente 200 g., ver cantidades exactas en la Tabla 3.7) pirolizar en el interior del reactor. Las uniones roscadas del reactor son untadas con grasa de grafito para evitar fugas. Entonces se cierra el reactor de modo que la tapa del reactor se une de manera roscada al cuerpo del reactor. Las paletas, que están acopladas en la tapa del reactor, quedan entonces en contacto con el material sólido. El tubo por el que los vapores salen del reactor (tubo rígido fabricado en acero inoxidable), se une al reactor. Seguidamente el reactor se coloca dentro del horno y se une el motor al eje de las paletas que atraviesa la tapa del reactor. Se conectan los termopares (un termopar fijo dentro del reactor, a 5 cm. del lecho y otro que se coloca dentro del horno).
Tras engrasar las roscas de las tapas superior e inferior del condensador, este se coloca verticalmente dentro de un contenedor. Se unen la salida del tubo de gases que provienen del reactor con el tubo de entrada al condensador. Y, mediante un tubo flexible, se conecta la salida del condensador al filtro de algodón. Tras atravesar el filtro, dado el bajo caudal de gas producido, este flujo de gas se emite a la atmósfera.
Un paso muy importante en la preparación de la planta es evitar, en la medida de lo posible, las fugas de calor. Por ese motivo, antes de comenzar con los experimentos se tienen que aislar los posibles huecos que haya en el horno, para ello se utiliza fibra de vidrio de alta resistencia térmica. Por otro lado, para evitar que los vapores condensen en el tubo de salida del reactor, antes de llegar al condensador, se envuelve todo el tubo con fibra de vidrio, intentando que permanezca a la temperatura más alta posible. De esta manera, cuando el gas atraviesa el tubo y entra en el condensador, sufre un choque térmico que facilita su condensación. Este choque térmico se debe a que dentro del contenedor donde se aloja el condensador y rodeando a este, se coloca un baño de agua y hielo con la intención de bajar la temperatura para que condensen la mayor cantidad de vapores posible.
Por último se conectan el motor que regula el giro de las paletas, se fija la velocidad de las paletas deseada para el experimento, se conectan los termopares al sistema de adquisición de datos y tras fijar el voltaje, se conectan las dos fuentes de energía. Regulando estos voltímetros (entre 80 y 140 V) se regula la velocidad de calentamiento de las dos resistencias que rodean al reactor.
En la Figura 3.25 se puede ver la planta una vez montada y lista para realizar el experimento.
Figura 3.25. Planta experimental con reactor de lecho agitado mecánicamente.
La temperatura inicial de los experimentos fue función de la temperatura ambiente en el laboratorio, sin embargo, los experimentos tenían la duración equivalente al tiempo que le costaba al reactor alcanzar los 500 ºC. Es decir, la temperatura final del experimento fue 500 ºC, y la duración de cada experimento fue función de la velocidad de calentamiento en cada uno de los experimentos.
3.3.1.1 Determinación de la distribución a productos
Una vez acabado el experimento se calcula el rendimiento a los productos de pirólisis: rendimiento a char ( ), rendimiento a líquido ( ) y rendimiento a gas ( ). Los rendimientos a los productos se definen como la cantidad total de masa generada de cada producto por unidad de masa de sólido alimentada (base húmeda y con cenizas) (Ecuación 3.1). Como se ha comentado anteriormente, la masa de char y líquido producidos se calculan por diferencia de pesada de los equipos donde se recogen entre el final y el principio del experimento. El rendimiento a gas se halla por diferencia.
100 * m m (%) η sólido producto producto = (Ec. 3.1)
donde:
• : rendimiento másico a cada producto sobre masa de sólido alimentado, %.
• masa de producto generada en el experimento, g. • msólido: masa de sólido que ha sido alimentado al reactor, g.
• : rendimiento másico a líquido sobre masa de sólido alimentado, %. • rendimiento másico a char sobre masa de sólido alimentado, %. • rendimiento másico a gas sobre masa de sólido alimentado, %.
Sin embargo, en los procesos de pirólisis, el rendimiento a productos se puede definir también como la cantidad total de masa (libre de cenizas y humedad) generada de cada producto por unidad de masa de sólido alimentada (base libre de cenizas y humedad) (Ecuación 3.2).
100 * .) . . ( m .) . . ( m .) . . (% η f a d f a d f a d sólido producto producto = (Ec. 3.2) donde:
• (% d.a.f.): rendimiento másico a cada producto sobre masa de sólido alimentado en base libre de cenizas y humedad.
• mproducto (d.a.f.): masa de producto generada en el experimento libre de
cenizas y humedad, g.
• msólido (d.a.f.): masa de sólido que ha sido alimentado al reactor en base libre
de cenizas y humedad, g.
3.3.1.2 Determinación de propiedades del char
Se analizaron algunas de las propiedades del char, tal y como se describe a continuación. Se realizaron análisis elementales (ver 3.2.4.1) y de poder calorífico (ver apartado 3.2.4.3) a cada una de las muestras sólidas obtenidas en los experimentos. El contenido en cenizas del char y el análisis de la superficie específica, se analizaron sólo para alguna de las muestras de char obtenidas en los
experimentos, debido a que estas muestras de char se usaron posteriormente en experimentos para analizar su poder de retención de azufre.
La determinación de las cenizas presentes en el char se llevó a cabo de acuerdo a la norma UNE 32-004-84, para la determinación de cenizas en combustibles sólidos de origen mineral. Para ello, se controló por pesada la pérdida de masa del char tras ser sometido a un calentamiento hasta 815 ºC en la mufla. Así, el porcentaje de cenizas (Cen) en el char se calculó de acuerdo a la Ecuación 3.3.
(Ec. 3.3)
donde:
• Cen: contenido en cenizas del char, % en peso.
• : masa de muestra de char inicial introducida en la mufla, g.
• : masa de muestra final obtenida tras el calentamiento en la mufla, g. Los análisis para determinar la superficie específica del char fueron realizados mediante el método B.E.T. en un analizador automático (Micrometrics TriStar) disponible en el laboratorio del GPT.
3.3.1.3 Determinación de propiedades del líquido
Una vez recogido el líquido contenido en el condensador, se observó que contenía dos fases, una fase más viscosa (fase orgánica) de un color marrón oscuro y una fase más densa que parecía contener mayor concentración de agua (fase acuosa). Para intentar separar lo más fielmente esas dos fases, se llevó a cabo un proceso de decantación seguido de una separación en un sistema de centrifugado, manteniendo las muestras a 4500 rpm durante 30 minutos. Tras recoger ambas fases líquidas por separado, se realizaron los siguientes análisis: análisis elemental y contenido en agua (mediante Karl Fischer) a cada una de ellas y se realizaron análisis de poder calorífico (mediante bomba calorimétrica) a las muestras de las fases orgánicas obtenidas en los experimentos.
Por último se llevaron a cabo análisis cualitativos de la composición de ambas fases: fase orgánica y fase acuosa.
Dadas las características de cada fase, se realizó un tratamiento previo antes de los análisis en el GC-MS.
Las muestras de la fase orgánica mostraban alta viscosidad, por lo que en primer lugar se filtraron mediante filtro de jeringa con prefiltro de microfibra de vidrio de 0,45 µm. Todos los posibles sólidos suspendidos en la muestra de fase orgánica se retuvieron en dicho filtro. No se retuvo ninguno de los compuestos que se identificaron por cromatografía. Esto último se comprobó realizando un análisis a una misma muestra antes y después de ser filtrada; en ambos cromatogramas se identificaron la misma cantidad de picos y de la misma intensidad. Dado que la alta viscosidad de las muestras no era adecuada para someterlas directamente a un análisis cromatográfico, estas muestras fueron diulidas. Las diluciones preparadas fueron de 50 µ de muestra en 950 µl de tetrahidrofurano (THF). Tras este pretratamiento, todas las muestras correspondientes a las fases orgánicas se analizaron para conocer su composición mediante el método para muestras no polares mostrado en el apartado 3.2.4.7.
Las muestras correspondientes a la fase acuosa del líquido obtenido en los experimentos, mostraba sólidos en suspensión. Por ese motivo, también estas muestras fueron filtradas mediante filtro de jeringa con prefiltro de microfibra de vidrio de 0,45 µm. Se realizó la misma prueba para comprobar que ninguno de los compuestos eludibles por cromatografía quedaba retenido. Tras el filtrado y, debido a la alta concentración de agua en las muestras que hacía inviable el análisis, se realizaron diluciones en disolvente (200 µl de fase acuosa en 800 µl de THF). Tras la preparación y acondicionamiento de las muestras, se analizaron mediante el método para muestras polares mostrado en el apartado 3.2.4.7.
3.3.2 Procedimiento experimental en la planta piloto con reactor de