INGENIERÍA QUÍMICA Y COMBUSTIÓN PARA AFRONTAR LOS RETOS DEL SIGLO XXI

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1 INGENIERÍA QUÍMICA Y COMBUSTIÓN PARA AFRONTAR LOS RETOS 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 formular la Teoría Inorgánica de la Combustión que demuestra que todos los combustibles son combinaciones carbono/hidrógeno y que siempre se disocian antes de quemarse, logramos simplificar totalmente la tecnología de la combustión industrial y comprobar con su aplicación en proyectos ejecutados en la mayoría de países latinoamericanos, la factibilidad de disminuir 10 % del consumo de combustibles fósiles utilizados a nivel mundial, retardando en un siglo las consecuencias del calentamiento global y cambio climático. Para difundir esta nueva concepción de la tecnología de la combustión y favorecer su aplicación, 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, al 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 mayor valor agregado En este artículo proponemos y sustentamos las razones y fundamentos de este ambicioso proyecto, para el cual la especialización en combustión industrial de ingenieros químicos y ramas afines resultará indispensable; al hacerlo, pretendemos demostrar la importancia de la Ingeniería Química en la historia del mundo que conocemos.

2 1. LA FUENTE ENERGÉTICA UNIVERSAL Todo el universo conocido está constituido sólo por 2 componentes que no se crean ni se destruyen: Materia y Energía. No existe la materia inmóvil; siempre posee una cantidad de energía que la mantiene en movimiento. A la inversa, todas las formas de energía son materia en movimiento. De todas las formas de energía ninguna es tan útil y fundamental para la vida del hombre como la energía química. Cada segundo en el núcleo del sol, 657 millones de toneladas de Hidrógeno se convierten en 653 millones de toneladas de Helio; en esta fusión nuclear 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 recordarán, un átomo está compuesto por un núcleo, formado por neutrones sin carga y protones con carga eléctrica positiva; 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 -2neutrones y 2 protones- se unen con gran fuerza, formando el átomo de Helio y desprendiendo energía y 4 millones de toneladas de neutrinos que completan el balance másico. Los mismos neutrinos que los científicos embusteros del CERN pretenden haber descubierto con mayor velocidad que la luz, contradiciendo a Einstein.

3 La dos mil millonésima parte de esta energía ingresa a nuestro planeta como energía radiante y constituye fuente y sustento de todas las otras formas de energía. El maravilloso proceso químico de la fotosíntesis que realizan las plantas, utilizando como materias primas el agua absorbida por las raíces y el dióxido de carbono absorbido del aire a través de las hojas, permite dividir la molécula del agua gracias al efecto catalizador de la clorofila que almacena energía solar que permite la reacción para este propósito. FOTOSÌNTESIS: La fórmula de la naturaleza para dar lugar al ciclo vital 2. COMBUSTIÓN ORGÁNICA E INORGÁNICA La ineludible Primera Ley de Termodinámica nos dice que la energía necesaria para fraccionar una molécula es igual a la energía que se obtiene cuando la molécula se vuelve a recomponer. Cuando ingerimos los carbohidratos y otros compuestos asimilables como alimentos, se desarrolla en nuestro organismo un proceso tan maravilloso como el de la fotosíntesis pero en sentido inverso, cumpliendo la hemoglobina el papel de la clorofila. Al respirar introducimos alrededor de 500 cm 3 de aire con 20.9 % de oxígeno que satura la hemoglobina de la sangre en los alveolos pulmonares, transportándolo a todo el organismo a través de las arterias del circuito sanguíneo, aportando el oxígeno a la combustión orgánica que se produce en las células de los tejidos y constituye la respiración celular; asimismo, absorbe el CO 2 producido, convirtiéndose en carboheximoglobina, transportándolo a través de las venas hasta los pulmones para su expiración al exterior.

4 COMBUSTIÓN ORGÁNICA COMBUSTIÓN INORGÁNICA COMBUSTIBLES IGNICIÓN COMBUSTIÓN INORGÁNICA LIBERACIÓN DE GRANDES CANTIDADES DE ENERGÍA (kilocalorías) APROVECHAMIENTO INDUSTRIAL ALIMENTOS CATÁLISIS ENZIMÁTICA (sin ignición) COMBUSTIÓN ORGÁNICA LIBERACIÓN DE CANTIDADES MODERADAS DE ENERGÍA (calorías) ENERGÍA VITAL DE LOS ORGANISMOS VIVOS Los combustibles constituyen para las plantas industriales lo mismo que los carbohidratos o alimentos para nuestros organismos, pero la forma en que se desarrolla su combustión resulta muy diferente. La combustión orgánica es químicamente compleja, lenta y se desarrolla a partir de compuestos por medio de una catálisis enzimática, cerrando el maravilloso circuito energético vital que se inicia en la fusión nuclear del sol y termina en los seres vivos, formando parte del equilibrio ecológico de la naturaleza. La identificación de la combustión industrial con la combustión inorgánica se inicia al producirse la conversión de las plantas y organismos vivos en yacimientos de recursos combustibles que deshidratados y desgasificados a través de los siglos han dejado de ser potencialmente aprovechables como alimentos, pues no podrían llegar a ser procesados en la forma de catalización enzimática que constituye la combustión orgánica. La combustión inorgánica es brutal, violenta y fulgurante, pero también simple y directa, porque se efectúa a partir de los componentes de los combustibles previamente disociados; todo ello exige que se efectúen en forma heterogénea, con ignición previa y en un estado de mayor actividad termodinámica. La combustión orgánica se desarrolla en forma homogénea, sin ignición, puede demorar varias horas y constituye un proceso renovable al integrarse con la fotosíntesis; la combustión inorgánica siempre es heterogénea, y pese a cumplir las etapas de calentamiento, mezcla, ignición, reacción y desplazamiento de productos, se desarrolla en pocos segundos. La combustión inorgánica rompe el equilibrio ecológico y consume en instantes lo que la naturaleza ha demorado millones de años en almacenar. Cuando se agoten los recursos de combustibles fósiles, lo que seguramente sucederá en el siglo XXI, desaparecerá la combustión industrial como alternativa energética.

5 3. COMBUSTIBLES Y COMBURENTES Es una ley establecida por la ciencia, que la materia no se crea ni se destruye y que la energía liberada en cualquier proceso de combustión es exclusivamente exceso de energía que las nuevas moléculas formadas son forzadas a liberar, debido a su reordenamiento interno. En su concepción más simple, la combustión puede definirse como la acción de arder o quemarse de cualquier forma de materia combustible, por efecto de la reacción de sus elementos componentes con el oxígeno, formando nuevos compuestos y liberando energía en forma de luz y calor. La gran mayoría de elementos químicos conocidos pueden combinarse con el oxígeno y casi todas las reacciones de oxidación son exotérmicas; afortunadamente, la naturaleza se ha encargado de simplificar el campo de la combustión, determinando que los combustibles industriales se encuentren constituidos fundamentalmente por carbono, hidrógeno y azufre, siendo el resto impurezas y componentes minoritarios. El azufre, presente en pequeñas proporciones, tiene mayor importancia como formador de agentes corrosivos, por lo cual resultará conveniente considerarlo como impureza, integrar su composición a la del carbono para efectos estequiométricos y analizar sus reacciones como problemas de postcombustión. En esta forma, para efectos prácticos, podemos estableces que los combustibles industriales son combinaciones carbono/hidrógeno con algunas impurezas. LOS COMBUSTIBLES FÓSILES SON DEPÓSITOS DE ENERGIA QUÍMICA ALMACENADA POR LA NATURALEZA DURANTE MILLONES DE AÑOS En cuanto a comburentes se refiere, únicamente nos interesa el oxígeno; principalmente el aportado por el aire, al cual también consideraremos para efectos prácticos como constituido únicamente por oxígeno y nitrógeno. En algunos casos, resultará necesario tomar en cuenta el enriquecimiento del aire como comburente aumentando su proporción de oxígeno y el empleo de oxígeno puro, pero fundamentalmente nos interesa la combustión con aire atmosférico. La condición de fuente inagotable de oxígeno y su permanente disponibilidad en cualquier condición de tiempo y espacio, han determinado que se cometa el grave error de minimizar la importancia del aire en el desarrollo de la tecnología de la combustión; al comprobar que la formación de llama y desarrollo de la combustión constituye fundamentalmente un problema de mecánica de fluidos, demostramos que el aire siempre es más importante que el combustible en la combustión industrial.

6 El aire como aportante del oxígeno para la reacción química y energía cinética para control de la formación de llama, siempre resulta más importante que el combustible. 4. TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL Aplicando la primera técnica para ejecución de proyectos de ahorro energético en procesos industriales, siempre elaboramos balances de materia y energía en los sistemas que necesitamos analizar, evaluar y optimizar, pudimos apreciar que no resultaban equivalentes los valores obtenidos del Poder Calorífico del Metano al efectuar el cálculo estequiométrico y determinar el mismo en bomba calorimétrica, como puede observarse en el gráfico siguiente: Al comprobar que la diferencia entre ambos valores ( Kcal/Kmol) corresponde exactamente al calor de disociación del metano, pudimos comprobar que en el caso de este hidrocarburo, sus componentes se disocian antes de quemarse; al comprobar que la misma condición se produce para cualquier hidrocarburo, pudimos establecer que todos los combustibles se disocian antes de quemarse, produciéndose las reacciones de combustión siempre en forma básica elemental:

7 El Hidrógeno se gasificará inmediatamente, reaccionando con el Oxígeno del aire en la reacción homogénea Gas-Gas: 2H2+ O2 2H2O El átomo de carbono permanecerá como sólido y reaccionará en forma heterogénea y en 2 etapas: Reacción heterogénea sólido - gas C + ½ O2 CO Reacción homogénea gas - gas CO + O2 CO2 En la práctica, la combustión del carbón resulta mucho más importante que la del hidrógeno por 2 razones fundamentales: La proporción del carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre sensiblemente mayor. El combustible más liviano es el metano (CH 4 ) con una relación Carbono/Hidrógeno igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporción en peso del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%. La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición, mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido gas desprendiendo CO y la de éste con el O 2 para completar el CO 2. La velocidad de propagación de la llama de hidrógeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en milésimas de segundo, mientras que la combustión de una partícula de carbón de tamaño promedio (30 micras), puede tomar varios segundos. Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrógeno como gas y partículas de carbón de diferentes características y tamaño, la cinética de la reacción de combustión resultará determinada por estas últimas y sólo influenciadas por el hidrógeno. De esta forma, el control sobre la llama resulta casi exclusivamente dependiente de la combustión de la partícula de carbón. El tamaño de la partícula de carbón resulta un factor fundamental en este sentido. En el caso del gas natural, las partículas de carbón serán microscópicas(500 A ), su combustión muy rápida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad. En el caso del combustóleo, petróleo residual o Fuel Oil, las partículas de carbón producto del craqueo en fase líquida serán de tamaño considerable ( micras), demorando más su combustión, con llamas muy luminosas y emisivas. En el caso de carbón mineral, el tamaño de partículas se maneja en la molienda en función de su contenido de volátiles ( micras), influenciando así la velocidad de combustión con llamas siempre luminosas y emisivas. Todos los demás combustibles industriales entrarán en uno de los campos de estos 3 combustibles primarios, desarrollándose la combustión de la partícula elemental del carbón siempre en forma heterogénea.

8 COMBUSTIÓN INORGÁNICA : REACCIÓN HETEROGÉNEA LA PARTÍCULA DE CARBONO, VERDADERO NUCLEO DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL La reacción sólido-gas, típica de la combustión de la partícula de carbón, se efectúa por difusión de calor del medio hacia el interior de la partícula y difusión molecular del CO producido (desorción) para abandonar la partícula hacia el medio de reacción, donde completa su reacción con el oxígeno disponible, en una reacción homogénea gas-gas. Siendo la combustión orgánica la parte de la química general que estudia los compuestos del carbono, la nueva concepción de la tecnología de la combustión se denominó Teoría Inorganica de la Combustión y ha permitido modificar la historia en el campo de la utilización de los combustibles fósiles. En los últimos 15 años, su difusión y aplicación industrial nos ha permitido comprobar siempre y sin excepciones que el proceso fisicoquímico más importante del planeta resulta maravillosamente simple, lo que nos ha permitido cumplir 2 importantes objetivos: Al demostrar que todos los ingenieros y técnicos de plantas industriales pueden y deben ser expertos en combustión, hemos podido implementar la ejecución de Proyectos MCP (Mejora Continua Proactiva), asegurando la continuidad de resultados. Desarrollar de proyectos de investigación aplicada para optimización de procesos industriales, basados en la eliminación de las complejidades y limitaciones que establecía la tecnología de la combustión desarrollada por proveedores de equipo y maquinaria, orientada a sus intereses económicos y comerciales.

9 5. 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. 5.1 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 diseñarse 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. 5.2 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.

10 La Energía cinética aportada por el aire primario permite 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 eficiencia de operaciones y continuidad de procesos que forman parte del sistema. 5.3 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 explicar la existencia de ciclos termodinámicos que se completan si consumir energía, lo que contradecía la segunda ley termodinámica. 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

11 5. CONCLUSIONES 5.1 La Ingeniería Química constituye base y fundamento de la creación y funcionamiento del universo que conocemos y nuestro planeta. 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 plantas industriales y sistemas productivos en general. 5.4 La Ingeniería Química representa la profesión ideal para modernizar y simplificar la combustión en plantas industriales. 5.5 La optimización de la combustión permite mejorar el manejo de operaciones y procesos industriales, mejorando sus costos y competitividad en los mercados internacionales. 5.6 La optimización de consumos específicos de combustibles fósiles disminuirá las emisiones de CO 2 a la atmósfera y detener el efecto invernadero, retardando el calentamiento global y cambio climático en el planeta. 5.7 La investigación aplicada para optimizar la combustión, desarrollar nuevas energías y acelerar la producción de combustibles alternos, debe constituir campo y objetivo fundamental de la Ingeniería Química a nivel mundial. Ing. Percy Castillo Neira Experto Internacional en Combustión y Procesos Industriales Ingeniero Químico XII Promoción UNSA Mg. Ingeniería Química I Promoción UNI Gerente de Combustión y Ecología S.A.C. Director del Instituto Latinoamericano de Combustión.