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• Ezequiel García Palomo

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INGENIERÍA QUÍMICA Y COMBUSTIÓN PARA EL MUNDO DEL SIGLO XXI

Vivimos en un mundo dependiente de los hidrocarburos, formidables almacenes de energía química formados por la naturaleza durante millones de años, los cuales podemos transformarlos en otros productos con valor agregado, a través de la Petroquímica, o quemarlos con oxígeno en un proceso de combustión, liberando calor aplicable en operaciones y procesos unitarios con fines industriales. Al establecer que por lo menos todo el siglo XXI seguiremos dependiendo de los combustibles fósiles, establecimos la conveniencia y el objetivo de crear la Ingeniería en Combustión, formando profesionales en este campo. Sin embargo, al estudiar su contenido académico y mercado de aplicación profesional, encontramos que ya existía, formando parte de la Ingeniería Química, la cual podríamos definirla en los siguientes términos: ”Rama de la ingeniería que se ocupa de la transformación de la materia, mediante la aplicación de operaciones unitarias al desarrollo de procesos industriales, convirtiendo materias primas en productos con diferentes fines y/o aplicaciones con valor agregado” En este artículo sustentamos las razones y fundamentos por las cuales resulta accesible, conveniente y atractivo para los ingenieros químicos convertirse en expertos en Combustión Industrial y desempeñarse profesionalmente en este campo, optimizando costos, administrando la gestión energética y desarrollando tecnología mediante investigación aplicada, favoreciendo la interconexión necesaria entre sectores académicos y plantas industriales.

1.

INGENIERÍA QUÍMICA Y COMBUSTIÓN

La Teoría Inorgánica de la Combustión, al establecer que todos los combustibles son lo mismo y que se queman en la misma forma, ha permitido comprobar que el proceso fisicoquímico más importante del planeta resulta maravillosamente simple, dependiendo su manejo de campos fundamentales de la ingeniería Química: Cinética química y diseño de reactores, mecánica y dinámica de fluidos, termodinámica y transferencia de calor.

1.1

Cinética Química y Diseño de Reactores

Siendo la reacción química gas-gas del hidrógeno instantánea en presencia del oxígeno, la combustión heterogénea de la partícula de carbón resultará el objetivo fundamental para diseñar, controlar y dominar la forma en que se desarrolla la combustión. El tamaño de partículas y su reactividad determinarán su facilidad de combustión, pero la cinética de la misma también resultará influenciada por las características del reactor y la intensidad de mezcla de los reactantes.

Partícula de coque y combustión heterogenea Verdadero núcleo de la combustión

Estableciendo la reactividad de las partículas de carbón en función de las características del combustible y las operaciones de precombustión, un Ingeniero Químico podrá determinar las características de diseño y condiciones operativas para el reactor ideal, seleccionando el tipo de quemador adecuado y conveniente. Cuando el reactor resulta determinado por otros factores, tendrá que diseñar el quemador que permita formar la llama que se adapte a las características del reactor, manejando la intensidad y diversidad de impulsos que aseguren la intensidad de mezcla suficiente y necesaria.

1.2

Mecánica y Dinámica de Fluidos

Las condiciones de mezcla y reacción de la combustión heterogénea representan un problema típico de mecánica de fluidos, en el que el aire representa el flujo dominante que permitirá asegurar la disponibilidad de oxígeno alrededor de cada partícula de coque, siendo la función del aire primario crear las condiciones de mezcla mediante el aporte controlado de la energía cinética que aporta el ventilador o soplador, con el manejo de impulsos axial, radial y rotacional que conforme la llama adecuada, succionando el aire secundario como aportante del oxígeno necesario para completar la combustión.

La Energía cinética aportada por el aire primario perite establecer las condiciones de formación de llama y desarrollo de la combustión

El desplazamiento de los gases de combustión a través de las zonas de convección y su eliminación por las chimeneas, tendrán que considerar la dinámica requerida para asegurar la continuidad de procesos. 1.3

Termodinámica y Transferencia de Calor

Los principios termodinámicos facilitan el control de procesos industriales; el primero para completar balances másicos y térmicos, encontrando siempre la materia y energía que ingresan y salen del sistema; el segundo para comprobar mediante los ciclos termodinámicos que para realizar trabajo se requiere siempre de alguna forma de energía Al establecerse la posibilidad de completar un ciclo termodinámico sin aparente consumo energético, un buen Ingeniero Químico, estableció la existencia de un parámetro adicional y lo llamó Entropía, permitiendo . La calidad de los reactores de combustión dependen de la forma de transferencia del calor liberado en el entorno de la llama, principalmente por radiación; un horno cementero, donde se manejan altas temperaturas de llama para mantener la cinética de reacciones exotérmicas, resulta un reactor ideal de combustión, por lo cual representa el incinerador de basura del futuro. El hogar de paredes de agua de un caldero acuotubular, donde el calor liberado por radiación, convección y conducción a través de los tubos al agua que se convertirá en calor, representa un reactor de combustión frío.

EL CALOR VUELA POR RADIACIÓN, FLUYE POR CONVECCIÓN Y CAMINA POR CONDUCCIÓN

2.

COMBUSTIÓN EN LA INGENIERÍA QUÍMICA

La Combustión en plantas industriales no se limita a la reacción química y liberación de calor; se inicia en las operaciones de precombustión necesarias para preparación mecánica de los sólidos, atomización de los líquidos e inyección de los gases, se concreta en la zona de reacción y se extiende hasta cumplir los objetivos de aporte térmico en el sistema. En este entorno, se involucran todas las operaciones unitarias que forman parte de la Ingeniería Química. Basados en tales consideraciones, podríamos afirmar que todos los ingenieros químicos deben ser expertos en combustión. La concepción tradicional de la combustión, desarrollada en forma innecesariamente compleja por la investigación pura del campo científico, la complicación matemática en el campo académico y la perversa tergiversación del desarrollo industrial con fines comerciales, podrían hacer aparecer tal concepción como una utopía, pero no es así; la simplificación de la tecnología de la combustión que hemos demostrado en todas las actividades desarrolladas en los campos de investigación científica, desarrollo académico y aplicación de la investigación aplicada a la optimización de procesos de combustión, así lo demuestra y se puede comprobar en los cientos de proyectos desarrollados en todo Latinoamérica que hemos tratado de resumir en el Manual Práctico de Combustión Industrial.

Todos los Ingenieros Químicos debemos ser expertos en combustión industrial

Se ha propuesto un Posgrado de Especialización Técnica en Combustión Industrial que se está dictando para complementar los Programas Académicos actuales de Pregrado de Ingeniería Química y Mecánica, pero en el futuro servirá solamente para otras especialidades de ingeniería que no profundizan suficientemente los 3 campos considerados imprescindibles para ser expertos en combustión: cinética química, termodinámica y mecánica de fluidos. Siendo tales campos parte fundamental de la formación académica de la Ingeniería Química , en el futuro y cumpliendo el objetivo de mejorar y actualizar su concepción tecnológica, los ingenieros químicos deberán egresar como expertos y combustión y tal Posgrado servirá para permitir que otras especialidades afines, tales como ingeniería industrial y mecánica, puedan acceder a este campo de formidables posibilidades de aplicación en el mundo industrial moderno. El campo que marca la diferencia de la ingeniería química respecto a las otras dos ramas troncales de la ingeniería, mecánica y eléctrica, lo constituye básicamente la fisicoquímica.

3.

FISICOQUÍMICA EN LA INGENIERÍA

Todo en el universo es materia y energía y no existe forma de que pueda modificarse la materia sin alteración simultánea de su condición física y conformación química; cuando se produce en forma natural dependerá de las condiciones ambientales; cuando se efectúa en reactores especialmente diseñados para controlar su evolución y productos, constituye un proceso industrial que puede completarse con una o más operaciones unitarias; este es el campo de la ingeniería química. Para apreciar la inmensidad de su entorno, podemos analizar un proceso industrial muy simple, la calcinación, y uno natural extremadamente complicado, la fusión del hidrógeno; todos son capo de la ingeniería química. 3.1 Proceso de Calcinación

La reacción química de descarbonatación es muy simple….. simple….. El proceso proceso fisicoquímico de calcinación resulta más complejo.

A la temperatura de disociación la reacción química de descomposición del Carbonato de Calcio es instantánea, liberándose CO2 al ambiente y cal viva (CaO). Como proceso de calcinación involucra varias operaciones unitarias: • Calentamiento del reactor • Vaporización de la humedad (secado) • Transferencia de calor por radiación de la llama a la superficie de la partícula • Transferencia de calor por convección de los gases calientes a la superficie de la partícula • Transferencia de calor por conducción de la superficie al interior de la partícula. • Transferencia de masa por difusión del CO2 • Control de la atmósfera interna de horno (reactor) • Regulación del tiro del horno para extracción de los gases de combustión y descarbonatación. • Control termodinámico de las pérdidas de calor al exterior • Cristalización del CaO residente, disminuyendo su reactividad • Reversión del CaO a CO3Ca reaccionando con el CO2 que abandona la partícula. • Enfriamiento y recuperación de calor para calentamiento de caliza alimentada al sistema.

3.2

FUSIÓ* *UCLEAR E* CALIE*TE: LA E*ERGÍA DEL SOL

Frente a la energía de fisión nuclear, la gran alternativa del pasado y del futuro es la fusión nuclear, que resulta ser una fuente tan inagotable como el propio planeta, ya que su existencia depende de la energía solar que recibe y representa la dos mil millonésima parte de la que libera la Fusión de 537 millones de toneladas del Hidrógeno que se produce cada segundo en el núcleo del sol. En la fusión intervienen dos isótopos del hidrógeno: el tritio y el deuterio. Se utilizan estos isótopos porque para que se produzca la fusión de los átomos es necesario que sus núcleos tengan la mínima fuerza de repulsión, y esto se logra precisamente con los átomos más ligeros, los de hidrógeno, que sólo tienen un protón en su núcleo.

Como recordará, un átomo está compuesto por un núcleo, formado por neutrones y protones. Estos con carga eléctrica positiva y aquellos con carga neutra (sin carga); a su vez, el átomo consta de una envoltura electrónica a base de electrones, de carga eléctrica negativa. En la naturaleza todos los átomos son eléctricamente neutros, teniendo igual número de protones que de electrones. Para que la reacción de fusión sea posible hay que vencer la mencionada repulsión electrostática entre dos núcleos igualmente cargados; esto es, al existir núcleos atómicos con igual carga, y en virtud del principio de que cargas iguales se repelen, hay que aplicar una gran energía para conseguir la unión de las mismas. El núcleo del tritio contiene un protón y dos neutrones, y el del deuterio un protón y un neutrón, dando un total de 5 partículas. En la fusión de esos isótopos, cuatro de las partículas -2 neutrones y 2 protones- se unen con gran fuerza, siendo capaces de expulsar violentamente al neutrón restante, desprendiéndose así de la cantidad de energía necesaria

Con este calor se crea un nuevo estado de la materia, el plasma, en el que se da un absoluto desorden de iones y electrones. Una vez acabada la reacción de fusión nos encontraremos con una esfera expandida con una temperatura de millones de grados en la que pululan los productos de la fusión (litio e isótopos del hidrógeno), tal es su velocidad que pueden fundirse unos con otros dando lugar a la reacción de fusión. Esta reacción genera más energía que la anterior y libera gran cantidad de partículas nucleares, pero no es una reacción en cadena, ya que el propio calor que genera hace que las partículas se separen y se expandan en forma de una esfera de plasma con una temperatura que tan sólo experimenta el universo de manera natural en muy raras ocasiones (en forma de supernova).

4.

Investigación, Ingeniería Química y Combustión

La investigación es la respiración de la ingeniería; los ingenieros que no investigan están profesionalmente muertos En todas las ramas de la ingeniería existe la necesidad y conveniencia de investigación, pero en la ingeniería química y el campo específico de la combustión, existe un mundo de posibilidades de desarrollar proyectos de investigación, debido a que la tecnología desarrollada por los proveedores de maquinaria y equipo ha sido intencionalmente tergiversada para vender equipos más complicados y costosos, predominando el beneficio comercial sobre la optimización técnica.

En sectores tales como el petrolero, cementero y minero, que generalmente obtienen grandes utilidades económicas, los grandes proveedores han aplicado diseños ineficientes de combustión y gestión energética, generando múltiples problemas operativos, que a su vez representan oportunidades de nuevos negocios para los mismos grupos empresariales, que desarrollan tecnología para administrar cada problema en forma individual, en lugar de atacar la raíz del problema, optimizar la combustión y simplemente, eliminarlos. La dependencia tecnológica creada con la imagen de la complejidad científica y académica, la corrupción en la contratación de proyectos y la incapacidad profesional de los ingenieros de planta en el capo de la combustión, han creado verdaderas mafias que multiplican los costos de inversión, operación y mantenimiento. La simplificación del campo de la combustión que hemos logrado con la Teoría Inorgánica de la Combustión y la nueva concepción de la tecnología que hemos logrado desarrollar en este campo, permite disponer de un inmenso potencial de optimización que debe desarrollarse con investigación aplicada. Los ingenieros químicos son los profesionales llamados a desarrollarla. Para demostrar lo mencionado mencionaremos los 10 principales proyectos que ya se están desarrollando en plantas latinoamericanas que han sabido reconocer las inmensas posibilidades de optimización de costos y mejora de competitividad en este campo: • • • • • • • • • •

Optimización de la combustión en altura Implementación de llama cónica hueca Diseños más compactos de hornos con atmósfera interna controlada Pellets energéticos para reducción directa y producción de hierro esponja Utilización de combustibles alternos Recuperación de calor de chimeneas Aplicación de precalcinadores flash en producción de cal Modificación de la punta de quemadores Utilización de convertidores de frecuencia para aumentar la ppotencia de quemadores. Implementación de Sistema de Energía Total y Cogeneración.

LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL ES MARAVILLOSAMENTE SIMPLE Y SIEMPRE, SIN EXCEPCIONES, SE PUEDE OPTIMIZAR

5.

CONCLUSIONES

5.1

La Ingeniería Química constituye el tronco principal del cual pueden desprenderse diferentes ramas tales como, industrial, metalurgia, textil, alimentaria, etc.

5.2

La Combustión no es una rama o especialidad de la Ingeniería Química, sino parte importante de la misma.

5.3

Existe un inmenso potencial de optimización de la combustión en las plantas industriales en general.

5.4

La Ingeniería Química representa la profesión ideal para modernizar y simplificar la combustión en plantas industriales. La optimización de la combustión permite mejorar el manejo de operaciones y procesos industriales, mejorando sus costos y competitividad en los mercados internacionales.

5.5

5.6

La optimización integral de plantas industriales permitirá un adecuado control de emisiones ambientales y efluentes.

5.7

La investigación aplicada debe constituir una actividad permanente en el desempeño profesional de los Ingenieros Químicos.