Fundamentos Esenciales de Procesos Industriales y Materiales

Combustibles y Poder Calorífico

Los combustibles son sustancias que arden en presencia de oxígeno (O2), produciendo calor. Son valorados por su bajo costo y facilidad de obtención.

Tipos de Combustibles

• Combustibles Sólidos: Madera, Papel, Petróleo (en su forma sólida como coque de petróleo), Alquitrán, Carbón.
• Combustibles Líquidos: Resina, Gas licuado (GLP), Éter, Acetaldehído, Hexano.
• Combustibles Gaseosos: Gas natural, Gas de hulla, Gas de alto horno.

Poder Calorífico

El Poder Calorífico es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de una unidad de masa o volumen de combustible.

Calderas Industriales

Las calderas son equipos fundamentales en la industria para la generación de vapor o agua caliente.

Estructura de las Calderas

• Hogar: Donde ocurre la combustión.
• Quemador: Dispositivo para la mezcla de combustible y aire.
• Tubos de Calor: Por donde circulan los gases calientes o el agua.
• Chimenea: Para la evacuación de gases de combustión.
• Carcasa: Estructura externa que contiene los componentes.

Clasificación de las Calderas

Las calderas se clasifican atendiendo a diversos criterios:

• Según su posición.
• De acuerdo a su instalación.
• Según la ubicación del hogar (interior o exterior).
• Por la circulación de los gases.
• Por su volumen.
• Según su uso.
• Por la circulación del agua.
• Según el tipo de combustible.

Tipos Principales de Calderas

Calderas Pirotubulares

• Ventajas: Bajo costo, diseño simple, requieren menos pureza de agua, se reparan fácilmente.
• Desventajas: Grandes y pesadas, requieren mucho tiempo para entrar en funcionamiento, riesgo de explosión y rotura.

Calderas Acuotubulares

• Ventajas: Menos pesadas, rápidas en funcionar, mayor seguridad a altas presiones, más eficientes, menor riesgo de explosión.
• Desventajas: Más caras, requieren agua de gran pureza, no soportan bien las fluctuaciones de carga.

Tratamiento de Agua en Calderas

La calidad del agua es crucial para el buen funcionamiento y la vida útil de las calderas.

Impurezas del Agua

• Sólidos en Suspensión: Partículas insolubles.
• Sales Disueltas: Minerales como carbonatos, sulfatos, cloruros.
• Gases Disueltos: Oxígeno, dióxido de carbono.

Dureza del Agua

La dureza del agua se refiere a la cantidad de sales de Magnesio (Mg) y Calcio (Ca) disueltas.

• Dureza Temporal: Causada por bicarbonatos de Ca y Mg, que precipitan al calentar el agua.
• Dureza Permanente: Causada por sulfatos, cloruros y nitratos de Ca y Mg, que son solubles en agua y no precipitan con el calor.
• La Dureza Total es la suma de la dureza temporal y permanente.

Problemas Causados por la Dureza

• Embarcamiento: Acumulación de lodos.
• Incrustaciones: Depósitos duros en las superficies de transferencia de calor.
• Corrosiones: Deterioro del metal por reacciones químicas.
• Arrastre: Paso de agua de caldera al vapor debido a exceso de sólidos, alcalinidad, sustancias orgánicas o detergentes.
• Fragilidad Cáustica: Agrietamiento del metal por concentración de hidróxido de sodio.

Reactivos para Precipitación de Sales

• NaOH (Hidróxido de Sodio): Precipita sales de Magnesio.
• Na2CO3 (Carbonato de Sodio): Precipita sales de Calcio.
• Ca(OH)2 (Hidróxido de Calcio): Precipita ambas sales (Ca y Mg).
• Na3PO4 (Fosfato de Sodio): Precipita sales de Calcio.

Producción de Productos Químicos Industriales

Productos Industriales de Base

Algunos productos químicos fundamentales en la industria incluyen:

• O2 (Oxígeno): Utilizado en la producción de acero, papel, medicamentos.
• N (Nitrógeno): Esencial para la síntesis de amoniaco y abonos.
• Amoniaco (NH3): Base para fertilizantes, explosivos, plásticos.
• H2SO4 (Ácido Sulfúrico): Ampliamente usado en diversas industrias.
• Cl (Cloro): Desinfectante y materia prima.
• HNO3 (Ácido Nítrico): Utilizado en fertilizantes y explosivos.

Producción de Ácido Nítrico (HNO3)

1. Oxidación Catalítica del Amoniaco: Para obtener óxido nítrico (NO).
2. Oxidación del Óxido Nítrico: Para formar dióxido de nitrógeno (NO2).
3. Absorción del NO2 en Agua: Para obtener ácido nítrico (HNO3).

Producción de Amoniaco (NH3)

El amoniaco se produce principalmente mediante el Proceso Haber-Bosch, que implica la reacción de nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2) en presencia de un catalizador a base de hierro (Fe).

• Temperatura: 350-550°C
• Presión: 140-320 atm

Minería y Metalurgia

Minerales Explotados en Minería

La minería extrae diversos minerales esenciales para la industria:

• Plomo
• Oro
• Plata
• Zinc
• Cobre

Tipos de Minería

• Minería a Cielo Abierto: Extracción de minerales cerca de la superficie.
• Minería Subterránea: Extracción de minerales de depósitos profundos.

Agente Oxidante Común en Minería

Un agente oxidante frecuentemente utilizado es el Nitrato de Amonio (NH4NO3), a menudo en explosivos.

Procesos Metalúrgicos

La metalurgia se encarga de la extracción y procesamiento de metales.

Pirometalurgia

Procesos que utilizan altas temperaturas:

• Calcinación: Descomposición térmica de minerales.
• Tostación: Calentamiento de minerales para eliminar impurezas volátiles.
• Reducción: Eliminación de oxígeno de un óxido metálico.

Hidrometalurgia

Procesos que utilizan soluciones acuosas:

• Lixiviación: Disolución selectiva de minerales en una solución.
• Concentración y Purificación de Solución: Separación de impurezas de la solución lixiviada.
• Recuperación del Metal: Extracción del metal puro de la solución.

Industria del Papel

Tipos de Papel

• Papel de Liar: Utilizado para cigarrillos.
• Papel Higiénico: Para limpieza humana.
• Papel de Piedra: Combinación de Carbonato de Calcio (CaCO3) con resinas.

Propiedades del Papel

• Resiliencia: Capacidad de retornar a su forma original después de una deformación.
• Estabilidad Dimensional: Habilidad para retener sus dimensiones bajo diferentes condiciones de humedad y temperatura.
• Mano: Relación entre el espesor y el gramaje del papel, indicando su rigidez y volumen.

Máquinas Clave en la Producción de Papel

• Pulper: Desintegra la pasta de papel.
• Descortezadora: Elimina la corteza de los troncos de madera.
• Calderas de Biomasa: Generan energía utilizando residuos orgánicos.