Systemic Analysis and Synthesis for Modeling the Pyrolysis of Plastics: Estimating the Optimal Operating Temperature

Análisis sistémico para el modelado de la pirólisis de plásticos: estimación de la temperatura óptima de operación

In the reviewed literature, experimental and simulation methods prevail as the main tools for developing technologies for converting plastic waste into synthetic fuels. This paper proposes a methodology for determining the operating parameters for this conversion using high-density polyethylene (HDPE) as an example. To address the problem, a methodological approach based on engineering systems analysis and synthesis was used. This resulted in a conceptual mathematical model for developing HDPE pyrolysis technology, both general for process operation and specific for a basic facility design. A virtual experimental plan was executed using the Aspen Plus process simulation tool under thermodynamic equilibrium conditions. Based on the generated data, approximation functions for the efficiency indicators and the constrained functions required for parameterization were developed. Decisions were then made to determine the optimal pyrolysis temperature by iteratively optimizing the resulting detailed nonlinear multi-objective model, varying the desired values ​​of the efficiency indicators. This procedure allows for the identification of a pyrolysis temperature that satisfies the preferences of potential decision-makers and establishes the conditions for addressing the general problem posed for the operation of the conversion process.

En la literatura revisada, los métodos experimentales y de simulación predominan como las principales herramientas para el desarrollo de tecnologías de conversión de residuos plásticos en combustibles sintéticos. El objetivo de esta investigación fue desarrollar una metodología para determinar los parámetros operativos para esta conversión, utilizando polietileno de alta densidad (HDPE) como ejemplo. Para abordar el problema, se empleó un enfoque metodológico basado en el análisis y la síntesis de sistemas de ingeniería, el cual dio lugar a un modelo matemático conceptual para el desarrollo de la tecnología de pirólisis de HDPE, tanto general para la operación del proceso como específico para el diseño básico de una instalación. Se ejecutó un plan experimental virtual utilizando la herramienta de simulación de procesos Aspen Plus bajo condiciones de equilibrio termodinámico. Con base en los datos generados, se desarrollaron funciones de aproximación para los indicadores de eficiencia y las funciones restringidas requeridas para la parametrización. Posteriormente, se tomaron decisiones para determinar la temperatura óptima de pirólisis mediante la optimización iterativa del modelo multiobjetivo no lineal detallado resultante, variando los valores deseados de los indicadores de eficiencia. Este procedimiento permite determinar la temperatura de pirólisis que satisface las preferencias de los potenciales tomadores de decisiones y crea las condiciones para resolver el problema general planteado para la operación del proceso de conversión.