Modelo pionero de escalado agiliza hasta en 10 años producción de reactores.

El primer software en el mundo construido a partir de un modelo matemático permite diseñar reactores de lecho fluidizado, los cuales gasifican la materia prima para generar energía térmica y eléctrica.

El modelo fue puesto a prueba en Medellín, donde se llevó un equipo de laboratorio a una escala industrial para una ladrillera en la que se diseñó y construyó un equipo que procesa 700 kilogramos/hora de cuesco de palma y carbón, para generar la energía usada en la cocción de ladrillos.

Dicho sistema escalamiento desde un laboratorio hasta una instalación industrial, prediciendo y controlando cada variable, fue desarrollado por el ingeniero químico Robert José Macías Naranjo, doctor en Ingeniería – Sistemas Energéticos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín, quien forma parte del grupo de investigación Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas (Tayea).

“Hasta ahora este proceso tomaba más de 12 años y generaba altos costos para las empresas, pero gracias a este nuevo desarrollo, el tiempo se reduce hasta en 10 años”, explica el ingeniero.

Agrega que “la producción de energía térmica mediante la gasificación de biomasa (residuos agroindustriales) es cada vez más atractiva para las empresas porque es más amigable con el medioambiente y sus costos son muy competitivos. Pero había un problema a la hora de llevar los equipos a escala industrial porque no había forma de calcular lo que sucedería, problema que se presenta en todo el mundo”.

La investigación se centró en los reactores de lecho fluidizado, pues, según explica el doctor Macías, estos presentan ventajas como mejor distribución de partículas y temperatura, además de mejora en los coeficientes de transferencia de calor.

Su reto entonces era predecir el comportamiento de cada partícula y cada burbuja dentro del reactor y para eso usó un modelo de balance de población a través del cual desarrolló los algoritmos que permiten anticipar con precisión lo que sucederá en ese reactor. En este punto de la investigación hubo aportes de los profesores Farid Chejne y Juan Carlos Maya de la UNAL, y Doraiswami Ramkrishna, de la Universidad Purdue, en Estados Unidos.

Este modelo matemático permitió construir un software en el que hay un número adimensional (llamado número de Macías-Chejne-Maya) que, al introducir variables como temperatura y tamaño y tipo de partículas, entre otros, facilita hacer cálculos para construir equipos garantizando el aprovechamiento del carbón o biomasa sin lugar a errores.

A escala nanométrica

El desarrollo es relevante pues hasta ahora predecir lo que pasaba dentro del reactor era una tarea extremadamente compleja, debido a las altas temperaturas con las que operan estos equipos, que pueden llegar hasta los 900 °C según su tamaño.

“Hasta ahora eso se hacía de manera empírica, no había metodología registrada. Nosotros logramos predecir lo que ocurre desde una escala nanométrica, con cada partícula dentro del reactor, sin importar su tamaño y con una reducción significativa de los errores, algo que es muy importante porque hablamos de muchos millones de pesos”, detalla el investigador.

Para el doctor Macías, además de los ahorros en dinero y la seguridad que brinda el sistema, el desarrollo es relevante porque simplifica el proceso –ya no hay que hacer cálculos porque el software lo hace todo cuando se le informa– y garantiza un rendimiento mínimo del 80 % en los equipos.

La tesis de doctorado fue laureada por los jurados, quienes consideraron que brinda soluciones novedosas para un problema real. Además una parte del trabajo se incluyó en el programa Colombia Científica, ya el doctor Macías y sus compañeros trabajan en el desarrollo de dos reactores que se instalarán en La Guajira y en una zona de cultivo de palma de aceite en el norte del país.

El modelo fue puesto a prueba en Medellín, donde se llevó un equipo de laboratorio a una escala industrial para una ladrillera en la que se diseñó y construyó un equipo que procesa 700 kilogramos/hora de cuesco de palma y carbón, para generar la energía usada en la cocción de ladrillos.

Dicho sistema escalamiento desde un laboratorio hasta una instalación industrial, prediciendo y controlando cada variable, fue desarrollado por el ingeniero químico Robert José Macías Naranjo, doctor en Ingeniería – Sistemas Energéticos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín, quien forma parte del grupo de investigación Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas (Tayea).

“Hasta ahora este proceso tomaba más de 12 años y generaba altos costos para las empresas, pero gracias a este nuevo desarrollo, el tiempo se reduce hasta en 10 años”, explica el ingeniero.

Agrega que “la producción de energía térmica mediante la gasificación de biomasa (residuos agroindustriales) es cada vez más atractiva para las empresas porque es más amigable con el medioambiente y sus costos son muy competitivos. Pero había un problema a la hora de llevar los equipos a escala industrial porque no había forma de calcular lo que sucedería, problema que se presenta en todo el mundo”.

La investigación se centró en los reactores de lecho fluidizado, pues, según explica el doctor Macías, estos presentan ventajas como mejor distribución de partículas y temperatura, además de mejora en los coeficientes de transferencia de calor.

Su reto entonces era predecir el comportamiento de cada partícula y cada burbuja dentro del reactor y para eso usó un modelo de balance de población a través del cual desarrolló los algoritmos que permiten anticipar con precisión lo que sucederá en ese reactor. En este punto de la investigación hubo aportes de los profesores Farid Chejne y Juan Carlos Maya de la UNAL, y Doraiswami Ramkrishna, de la Universidad Purdue, en Estados Unidos.

Este modelo matemático permitió construir un software en el que hay un número adimensional (llamado número de Macías-Chejne-Maya) que, al introducir variables como temperatura y tamaño y tipo de partículas, entre otros, facilita hacer cálculos para construir equipos garantizando el aprovechamiento del carbón o biomasa sin lugar a errores.

A escala nanométrica

El desarrollo es relevante pues hasta ahora predecir lo que pasaba dentro del reactor era una tarea extremadamente compleja, debido a las altas temperaturas con las que operan estos equipos, que pueden llegar hasta los 900 °C según su tamaño.

“Hasta ahora eso se hacía de manera empírica, no había metodología registrada. Nosotros logramos predecir lo que ocurre desde una escala nanométrica, con cada partícula dentro del reactor, sin importar su tamaño y con una reducción significativa de los errores, algo que es muy importante porque hablamos de muchos millones de pesos”, detalla el investigador.

Para el doctor Macías, además de los ahorros en dinero y la seguridad que brinda el sistema, el desarrollo es relevante porque simplifica el proceso –ya no hay que hacer cálculos porque el software lo hace todo cuando se le informa– y garantiza un rendimiento mínimo del 80 % en los equipos.

La tesis de doctorado fue laureada por los jurados, quienes consideraron que brinda soluciones novedosas para un problema real. Además una parte del trabajo se incluyó en el programa Colombia Científica, ya el doctor Macías y sus compañeros trabajan en el desarrollo de dos reactores que se instalarán en La Guajira y en una zona de cultivo de palma de aceite en el norte del país.

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