{"id":{"repo_id":"upc-spain","oai_identifier":"oai:repositorio.upct.es:10317/17081"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/upc-spain/oai:repositorio.upct.es:10317/17081","repository":{"repo_id":"upc-spain","name":"Universidad Politécnica de Cartagena","base_url":"http://repositorio.upct.es/oai/request"},"display":{"title":"Evaluación e integración de automatismos de optimización en el proceso de desvulcanización mediante microondas para la recuperación de caucho procedente de neumáticos fuera de uso","abstract":"[SPA] En la Unión Europea, la gestión de neumáticos desechados es obligatoria desde 2008. La cantidad de neumáticos desechados en Europa alcanza los 3 millones de toneladas al año. Con el fin de reducir su impacto medioambiental, así como el espacio ocupado, estos neumáticos suelen triturarse. Sin embargo, en 2016, Europa se enfrentó a un exceso de caucho granulado. Este problema se podría dividir en dos partes principales: en primer lugar, Europa tiene una cantidad extremadamente alta de neumáticos desechados; en segundo lugar, Europa es el tercer consumidor más grande de caucho del mundo. Por lo tanto, la solución que se está considerando es la implementación eficiente de una nueva tecnología capaz de reciclar los neumáticos desechados para convertirlos en caucho reutilizable. El caucho utilizado en la fabricación de distintos productos debe someterse a un proceso de vulcanización. Este proceso implica la adición de azufre a altas temperaturas. A nivel molecular, esto se traduce en la formación de nuevos enlaces entre los átomos de carbono y los de azufre (enlaces C-S). Conforme el caucho vulcanizado alcanza el fin de su vida útil, su reciclaje implica la desvulcanización, es decir, la rotura de los enlaces C-S generados durante la vulcanización. Una desvulcanización perfecta implicaría la total recuperación del caucho presente en los neumáticos desechados. Sin embargo, este proceso no está lo suficientemente maduro, principalmente porque los enlaces no se rompen de manera selectiva. Como resultado, la procesabilidad del caucho desvulcanizado no es tan alta como se esperaba. El calentamiento por microondas es controlable, eficiente y no depende de mecanismos de calentamiento tradicionales (como la conducción o la convección) que podrían resultar en pérdidas significativas de calor, sino que se basa en el calentamiento dieléctrico. De esta forma, la energía de microondas actúa en todo el volumen de la partícula de caucho, no solo en la superficie. Por tanto, la tecnología de microondas resulta ser una técnica con un potencial asombroso para el reciclaje de caucho procedente de neumáticos fuera de uso (GTR, por sus siglas en inglés). Como resultado, se puede lograr caucho desvulcanizado de alta calidad, así como un alto grado de desvulcanización. Por ende, sería provechoso la integración y evaluación de automatismos en el proceso de desvulcanización por microondas. Sin embargo, para lograr un proceso de desvulcanización eficaz mediante las microondas, es crucial tener un control preciso sobre el mismo. Primeramente, será necesario investigar cómo la temperatura afecta a las propiedades dieléctricas del material, es decir, del GTR. En esta tesis, se utilizará una cavidad de microondas específicamente diseñada para la medida de propiedades dieléctricas en temperatura, y los resultados se analizarán con el fin de comprender la influencia de la energía de microondas irradiada en el GTR durante el proceso. Si se desea obtener un material desvulcanizado de calidad, es necesario lograr un control exhaustivo sobre diversos parámetros a lo largo del proceso. Este control suele realizarse mediante sensores térmicos como pirómetros. En esta tesis, se han realizado numerosos experimentos cuyo objetivo fue estudiar el potencial uso de pirómetros para monitorizar la temperatura del GTR durante el proceso. Se evaluaron experimentalmente dos posiciones diferentes y los resultados se compararon con los obtenidos mediante sensores de fibra óptica. Además, también se evaluó la integración de sensores electroquímicos para monitorizar las concentraciones de algunos compuestos volátiles sulfurosos. Cuando se calienta el GTR, se emanan algunos compuestos volátiles orgánicos y sulfurosos, cuya monitorización podría resultar de utilidad para evaluar el proceso en tiempo real. Dadas las relaciones demostradas en esta tesis entre estas concentraciones y otros parámetros clave usualmente empleados para la evaluación de las muestras de GTR desvulcanizadas, se puede concluir que la monitorización de las concentraciones de algunos compuestos volátiles sulfurosos ayuda a lograr un control en tiempo real del proceso de desvulcanizado por microondas. Finalmente, se han empleado regímenes de pulsos de microondas para desvulcanizar GTR en una estructura de guía de ondas específicamente diseñada para tal propósito. Se diseñaron varias estructuras utilizando un software de simulación electromagnética (es decir, CST). Las distribuciones de temperatura en la muestra de GTR se utilizaron para determinar la estructura óptima para el estudio. Las muestras de GTR se procesaron, empleando dicha estructura, con varias longitudes de pulso y posteriormente se evaluaron mediante diversas técnicas. Se encontraron ciertas relaciones entre las longitudes de pulso de microondas y los resultados de los análisis posteriores.[ENG] Since 2008, in the European Union, the management of discarded tires has been mandatory. The quantity of discarded tires in Europe reaches the staggering figure of 3 million tons per year. In order to reduce their impact on both the environment and space, these tires are typically shredded. Nevertheless, in 2016, Europe faced an excess stock of granulated rubber. This problem consists of two main parts: firstly, Europe has an extremely high quantity of discarded tires; secondly, Europe is the third-largest consumer of rubber in the world. Therefore, the solution being considered is the efficient implementation of a new technology capable of recycling all discarded tires to convert them into reusable rubber. The rubber used in the manufacturing of rubber-based products has to undergo a vulcanization process, which involves the addition of sulphur at high temperatures. On a molecular level, this implies that new bonds are formed by carbon and sulphur atoms (C-S bonds). Once the vulcanized rubber has been used, its recycling process involves devulcanization. During this process, the C-S bonds are broken. In this way, the rubber from discarded tires is recovered. However, this process is not mature enough, mainly because the bonds are not selectively broken. As a result, its processability is not as high as expected. Considering that microwave heating is controllable, efficient, and does not depend on traditional heating mechanisms (such as conduction or convection, which implies significant heat losses), it instead relies on direct dielectric heating. Thereby, microwave energy acts throughout the entire volume of the rubber particle, not just on the surface. In this way, microwave technology becomes a potential technique for the recycling of ground-tire rubber (GTR). As a result, microwave devulcanization may yield high-quality devulcanized rubber, along with a high degree of devulcanization. Thus, it seems beneficial to evaluate and integrate new automatisms into the microwave devulcanization process. Nevertheless, to effectively manage the devulcanization process aided by microwaves, precise control over the microwave processing of GTR is crucial. Hence, it will be necessary to investigate how temperature affects the dielectric properties of the input material, that is, GTR. In this thesis, a microwave cavity specifically designed for the study of dielectric properties versus temperature will be used, and the results will be analyzed in order to understand the influence of the microwave-irradiated energy on the GTR during the process. To achieve high-quality devulcanized rubber, proper control of diverse parameters throughout the process is required. This control is typically performed by means of thermal sensors such as pyrometers. Several tests were conducted to study the potential use of pyrometers to monitor the GTR temperature during the process. Two differentlocations were experimentally evaluated, and the results were compared with those obtained by fiber optic sensors. In addition, the integration of electrochemical sensors to monitor the concentrations of some volatile sulphur compounds (VSCs) was also evaluated. When the GTR is heated, some VSCs are emanated, which can be useful to evaluate the process in real time. Given the relationships demonstrated in this thesis between the concentrations of some VSCs and other key parameters typically employed for the evaluation of the devulcanized GTR samples, one can conclude that the monitoring of these concentrations helps the real-time control of the microwave devulcanization. Finally, microwave-pulsed regimes were employed for devulcanizing GTR, employing a waveguide structure specifically designed for that purpose. Various waveguide structures were designed with electromagnetic simulation software (i.e., CST). The electromagnetic and temperature distributions in the GTR sample were used to select the optimal design. The GTR samples were subsequently processed in the selected waveguide design with various pulse lengths. After that, the samples were evaluated by means of diverse techniques. Some relationships were found between the microwave pulse lengths and the results from the ulterior analyses.","abstract_html":"[SPA] En la Unión Europea, la gestión de neumáticos desechados es obligatoria desde 2008. La cantidad de neumáticos desechados en Europa alcanza los 3 millones de toneladas al año. Con el fin de reducir su impacto medioambiental, así como el espacio ocupado, estos neumáticos suelen triturarse. Sin embargo, en 2016, Europa se enfrentó a un exceso de caucho granulado. Este problema se podría dividir en dos partes principales: en primer lugar, Europa tiene una cantidad extremadamente alta de neumáticos desechados; en segundo lugar, Europa es el tercer consumidor más grande de caucho del mundo. Por lo tanto, la solución que se está considerando es la implementación eficiente de una nueva tecnología capaz de reciclar los neumáticos desechados para convertirlos en caucho reutilizable. 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Se encontraron ciertas relaciones entre las longitudes de pulso de microondas y los resultados de los análisis posteriores.[ENG] Since 2008, in the European Union, the management of discarded tires has been mandatory. The quantity of discarded tires in Europe reaches the staggering figure of 3 million tons per year. In order to reduce their impact on both the environment and space, these tires are typically shredded. Nevertheless, in 2016, Europe faced an excess stock of granulated rubber. This problem consists of two main parts: firstly, Europe has an extremely high quantity of discarded tires; secondly, Europe is the third-largest consumer of rubber in the world. Therefore, the solution being considered is the efficient implementation of a new technology capable of recycling all discarded tires to convert them into reusable rubber. 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To achieve high-quality devulcanized rubber, proper control of diverse parameters throughout the process is required. This control is typically performed by means of thermal sensors such as pyrometers. Several tests were conducted to study the potential use of pyrometers to monitor the GTR temperature during the process. Two differentlocations were experimentally evaluated, and the results were compared with those obtained by fiber optic sensors. In addition, the integration of electrochemical sensors to monitor the concentrations of some volatile sulphur compounds (VSCs) was also evaluated. When the GTR is heated, some VSCs are emanated, which can be useful to evaluate the process in real time. 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Como resultado, se puede lograr caucho desvulcanizado de alta calidad, así como un alto grado de desvulcanización. Por ende, sería provechoso la integración y evaluación de automatismos en el proceso de desvulcanización por microondas. Sin embargo, para lograr un proceso de desvulcanización eficaz mediante las microondas, es crucial tener un control preciso sobre el mismo. Primeramente, será necesario investigar cómo la temperatura afecta a las propiedades dieléctricas del material, es decir, del GTR. En esta tesis, se utilizará una cavidad de microondas específicamente diseñada para la medida de propiedades dieléctricas en temperatura, y los resultados se analizarán con el fin de comprender la influencia de la energía de microondas irradiada en el GTR durante el proceso. Si se desea obtener un material desvulcanizado de calidad, es necesario lograr un control exhaustivo sobre diversos parámetros a lo largo del proceso. 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