Ingenieros químicos Compañeros, me siento honrado de que me hayas invitado a hablarles hoy. En esta ocasión, más memorable para mí, les pido que se unan a mí en la exploración de un IMPORTANTE pero poco CONSIDERADO aspecto en nuestras actividades.

Déjame empezar por proponer Que la la Misión y esencia de la ingeniería química es llegar a procesos para hacer materiales buscados por el hombre, procesos nuevos o mejorados para reemplazar a los menos eficientes, y procesos para hacer nuevos materiales . En pocas palabras nosotros somos los líderes de la ciencia y la tecnología, y pondre aquí, es un asunto de dos pasos, Concebir o soñar con un esquema, y entonces hacerlo real.

El segundo paso de este asunto, la transformación de la idea en realidad y la enseñanza de cómo hacerlo es lo que nos preocupa a la mayoría de nosotros muchas de las veces, y somos muy buenos en eso. Pero qué pasa con el primer paso de este asunto de dos etapas, la etapa creativa o inventiva, el soñar de un esquema? Quién hace esto y ¿Cómo se va haciendo? ¿Puede esto ser enseñado y si es así ¿cómo es enseñado hoy, quien lo enseña? Este es el primer paso en el desarrollo de un proceso que quiero hablar hoy.

Permítanme ilustrar lo que quiero decir con un ejemplo rápido. Hace un tiempo los químicos japoneses descubrieron que el (450 ° C) liquido caliente de indio era un catalizador versátil capaz de hacer una variedad de reacciones útiles, como se muestra en la diapositiva 1. Sin embargo, en todos los casos, la conversión a producto fue baja, Entre 1 y 5%. Con esta información vamos a tratar de llegar a un buen esquema para tratar 1 ton / día de alimentación (iZiG = 0,1 kg / mol) a la conversión de 90%, si los experimentos dan 2% de conversión para una velocidad de alimentación de gas de 1 cm3 / s sobre un barco de reacción que contiene 1 g de catalizador líquido.

El primer pensamiento es ampliar la escala directamente desde experimento. Sin embargo, un cálculo posterior rapido de-la-envolvente muestra que este requiere unos 6.800 tubos en contenidos paralelos, cada uno con más de 110 barcos de catalizador, ya esbozado en la diapositiva 2. el costo del catalizador solo cuesta cerca 1 millones. ¿Y cómo le gustaría diseñar Tal proceso? Creo que estarán de acuerdo que deberíamos ser capaces de hacerlo mejor.

Una segunda idea es tratar el reactor bañera de diapositivas 3. Esto requeriría 12 toneladas de catalizador costando f18 millones? Fuera de la cuestión. Una tercera idea usaría la torre de pulverización, como se muestra en la diapositiva 4. Este Utilizaría menos catalizador, sobre f500, vale la pena, pero este objetivo sigue siendo muy costoso. ¿Y cómo podemos superar los problemas mecánicos de tratar con un líquido caliente?

Esos enfoques directos no parecen prácticos. Así que vamos a poner en nuestro pensamiento tapas innovadoras. Si somos lo suficientemente imaginativos llegaremos al el esquema de las diapositivas 5. Mezclar, granular, calcinado, reducir, empaquetar y, a continuación corremos con gas caliente. Que simple idea! No hay necesidad de manejar el líquido caliente, y todo lo que requiere es tan sólo unos gramos de indio para toda la operación, y su costo no es mucho más que una buena cena en Londres hoy.

¿Por qué no pensé en eso? Un equipo de la Universidad Técnica de Dinamarca dirigida por el profesor John Villadsen LO hizo, y me pregunto CUAL fue su origen que los llevó lejos del pensamiento tradicional sobre columnas de burbujas, columnas de pulverización y similares para llegar a esta idea no convencional y ordenada, tan simple y obvio en retrospectiva.

Tal vez este es un buen lugar para ver lo que nosotros enseñamos a futuros ingenieros químicos y ver donde alentamos este tipo de pensamiento creativo. En pocas palabras, la diapositiva 6 muestra lo que hacemos en los programas típicos de ingeniería química. A nivel BS preparamos el joven ingeniero químico principalmente para operaciones de la planta. Luego, en los programas de posgrado nos centramos en la investigación en una variedad de áreas: información fisicoquímica, la teoría para predecir el comportamiento, métodos de diseño, formas de optimizar las operaciones, y así sucesivamente. Todo esto tiene como objetivo final la transformación de un concepto de diseño en un proceso eficiente y fiable para hacer un material producto.

Pero ¿qué pasa con los avances que conducen a procesos nuevos y mejores. Como se muestra en la diapositiva 6 esto puede seguir al descubrimiento de una nueva vía química o la creación de un nuevo catalizador. También puede provenir de soñar con un nuevo concepto de contacto. Molino de viento rama llena de Gossett para dar primero absorbente industrial de Gran Bretaña, y el catalizador líquido apoyado de Villadsen son ejemplos de este tipo. Este tercer paso en la diapositiva 6 es algo que en el mundo de la educación en gran parte ignoramos. ¿Por qué? Tal vez no sabemos cómo enseñar, tal vez consideramos que sea imposible de enseñar. Veamos si podemos obtener una idea de esta actividad al ver cómo nuestra profesión en realidad va haciendo sobre él. Para ello vamos a seleccionar dos ejemplos, pertinente hoy, para los que hay muchas rutas posibles de reactivos dados a determinados productos.

En primer lugar considerar la producción de combustibles líquidos a partir de esquisto. El concepto es simple y se muestra en la diapositiva 7. En el paso 1 LA roca DE ESQUISTO se calienta a aproximadamente 500 ° C. se marcha los orgánicos, pero deja algo de carbono fijo en la roca. Uno puede seguir esta operación primaria con un segundo paso en el que el carbono fijo se quema fuera de la roca con el aire. Esto libera calor que se recicla a continuación para calentar el esquisto en bruto en el primer paso. Sin paso 2 se tiene que utilizar alguna otra fuente de energía, por lo general una parte de los compuestos volátiles producidos, para calentar la roca de esquisto.

Esto parece ser una sola operación sencilla ¿por qué no debería emerger un concepto de diseño único? Como Con coches que-hemos asentado sobre cuatro ruedas, dos pistas de ferrocarriles, Los aviones comerciales de un solo cuerpo con una sola ala a cada lado, asi todos no deberían estar de ACUERDAN en las camas o camas en movimiento multifluidized, o algo más? Bueno, muchas grandes organizaciones han trabajado en eso………………………..

Déjeme bosquejarles algunos de esos conceptos para mostrales lo diferente que son. En primer lugar está el flujo de lecho descendente de sólidos en movimiento. Como se muestra en la diapositiva 9, hay un número de procesos comerciales que operan hoy que-han optado por este enfoque. No se trata de pequeñas operaciones piloto a escala. Por ejemplo la petrosix utiliza una unidad de 11 d. y la brazilians esta planeando construir 19 mas de esas gigantes. Diapositiva 10 muestra un diseño de lecho móvil horizontal, en funcionamiento hoy en México. Y para completar la imagen de lecho móviles la diapositiva 11 muestra un flujo ascendente de solidos estadounicense. Flujo Ascendente, flujo descendente, flujo horizontal no debería ser el mejor?

En el enfoque de sólido suspendido, Diapositiva 12 muestra un sólido sistema de circulación de todos los fluidizado; Diapositiva 13 muestra una variación de este en el que la pizarra caliente y fría se ponen en contacto íntimo en un transportador de tornillo; y Slide 14 muestra el diseño de molino de bolas en el que el calor se alimenta a la pizarra fresca fría mediante la circulación de las bolas calientes.

La mayor parte de los procesos de lecho móvil son simples desde el punto de vista de la ingeniería, pero no tratan de recuperar la energía en el carbono fijado. Así esquisto gastado se devuelve al depósito de residuos con una parte de su energía sin extraer. Por otro lado, los procesos de lecho fluidizado son más complicados, pero en la mayoría de los casos que están diseñados para extraer toda la energía del esquisto.

Algunos diseños hacen todo lo posible para recuperar la energía del carbono fijado. Como ejemplo Diapositiva 15 muestra el concepto de EE.UU. Shell. La mitad izquierda de la diapositiva con sus dos lechos fluidizados y sus bolas de acero que lleva el calor circundante tiene un solo propósito, transferir calor de esquisto gastado caliente al esquisto fresca y fría.

Mira los diseños de diapositivas 12, 13 y 15. En sus muy diferentes formas en que todos tratan de reciclar calor desde esquisto gastado para esquisto fresco. De este modo el intercambio de calor sólido-sólido es el problema aquí, y una forma eficiente de hacer esto puede entonces ser la clave para un buen proceso esquisto.

Nosotros los ingenieros químicos somos bastante cómodos con el intercambio de calor fluido-fluido. Hay libros sobre libros sobre este tema. Pero ¿qué pasa con el intercambio de calor sólido-sólido? No hay casi nada sobre este tema en la literatura, y ni una sola palabra sobre el mismo en el Manual de Perry, Así que vamos a sondear en la literatura para ver qué hay disponible.

La Diapositiva 16 muestra el diseño de coraza y tubo propuesto por el profesor Leung y de Chong. Desafortunadamente, para el procesamiento de esquisto, las limitaciones de temperatura y la estabilidad de las operaciones serían serios problemas con este diseño. Diapositiva 17 muestra una alternativa algo simple propuesto por el Profesor Potter que utiliza lechos fluidizados lado-a-lado, y este diseño posiblemente podría ser incorporado en un proceso de esquisto.

Pero ahora vamos a nuestra mente a vagar y explorar otras ideas. ¿Por qué no considerar el uso de tubos de calor? Estos dispositivos se hicieron prácticos hace unos 25 años, y son ampliamente

utilizados en la actualidad la electrónica de consumo y en las aplicaciones espaciales. Incluso el oleoducto de Alaska utiliza cerca de 100 mil de ellos. Son dispositivos de transferencia de calor más eficiente que puede ser diseñado para operar en varios rangos de temperatura desde por debajo de la temperatura ambiente hasta 1000 ° C y superior, y en orientación vertical, horizontal o alrededor de las esquinas.

Diapositiva 18 muestra cómo tubos de calor podrían ser utilizados en un intercambiador de calor sólido-sólido. Una muestra lo que ocurre cuando echamos sólidos en los últimos tubos de calor con aletas. La transferencia de calor es rápida, pero desafortunadamente este arreglo representa intercambiador de calor a favor de corriente para la cual la máxima eficiencia de recuperación de calor es sólo el 50%.

Por supuesto, si somos capaces de convencer a un flujo de sólidos a fluir hacia arriba, entonces podríamos llegar al 100% de eficiencia. Pero, ¿cómo coaxial sólidos a fluir hacia arriba por su cuenta? Sin embargo, no es una alternativa simple. Reorganizar los tubos de calor como en el boceto B del Diapositiva 18. Esto resulta en un flujo descendente de ambas corrientes sólidas con intercambiador de calor a contracorriente y cerca de 100% de eficiencia de recuperación de calor. Incluso mejor aún localice la unidad de frío por encima de la unidad de calor, como se muestra en el esquema C. A continuación, los fluidos de trabajo en todos los tubos de calor se condensan en la unidad superior y fluyen hacia abajo a la unidad inferior, una disposición más eficiente.

¿Por qué no considerar la incorporación de tubos de calor en un proceso esquisto. Diapositiva 19 muestra un posible diseño. Sin necesidad de sólidos muy finos, no hay gas de fluidización, el flujo por gravedad de los sólidos a lo largo de la sección de intercambiador, un proceso con este tipo de intercambiador de calor debe ser mucho más simple que muchos de los actuales diseños en los que se han gastado mucho esfuerzo y dinero.

mirando todas estas diferentes formas de extracción de petróleo de la roca de esquisto en lechos fluidizados o lechos móviles, utilizando flujo ascendente, flujo descendente o flujo horizontal de esquisto, con o sin el uso de portador de calor inertes sólidos debería ser evidente que es la primera paso en el desarrollo de un proceso, la elección del concepto de proceso, que estamos considerando aquí. Tal vez usted estará de acuerdo conmigo en que este es el paso crucial en el desarrollo de un proceso, porque una vez que se elige el concepto proceso se determina el camino a seguir en todo el apoyo a la investigación, pruebas, desarrollo y diseño que sigue.

En términos generales, no sólo para el procesamiento esquisto, lo que me gustaría sugerir es que antes de empezar a trabajar en un concepto determinado proceso se debe establecer los criterios para el ideal-no importa si prácticos o no, y luego ver qué tan cerca uno puede llegar al ideal. Esto requiere "pensar" la investigación, sentados en sillones, discutir y debatir, todo esto antes de construir, incluso el más pequeño de plantas piloto.

Vamos a tratar este tipo de pensamiento con otro sistema, la producción de gas de síntesis a partir del carbón. Esto probablemente se convierta en uno de los procesos más importantes de todo el mundo a principios del próximo siglo como el carbón reemplazará progresivamente el petróleo

como materia prima para los productos químicos orgánicos. Deslice 20 espectáculos. En términos simples, que están implicados dos reacciones: la reacción deseada del carbón con vapor de agua, que es endotérmica, y una reacción de combustión que suministra el calor para la reacción deseada. Y puesto que esto sería una operación de gran volumen que nos gustaría utilizar sólo para obtener alimentos económicos y fáciles al aire, el agua y el carbón, y nada más.

Al considerar esta operación detectamos una serie de problemas potenciales:

Si el carbón se hace reaccionar con aire y vapor al mismo tiempo, entonces el nitrógeno está presente en el gas producto, y esto es costoso de eliminar.

Si tratamos de evitar este problema al reaccionar con oxígeno en lugar de aire, entonces necesitaríamos una planta de oxígeno de nuevo costoso.

Podemos evitar el problema de nitrógeno mediante la ejecución de las dos reacciones en diferentes lugares, pero luego tenemos el problema de la transferencia de calor de un lugar a otro.

Y en todos estos esquemas si los gases de productos se enfrían rápidamente a continuación una gran cantidad de formas de alquitrán y esto también es costoso de eliminar. Para evitar esto hay que mantener los gases productos calientes durante un tiempo para dejar que los alquitranes se agrietan en compuestos de bajo peso molecular.

Estas consideraciones nos llevan a anotar los requisitos para un proceso de gasificación ideales, como se muestra en la diapositiva 21. Permítanme comentar sobre los dos últimos elementos de esta lista. Termodinámica, reforzados por el sentido común, sugiere que si queremos exprimir el máximo rendimiento de un proceso entonces lo ideal todas las corrientes de producto deben dejar el proceso en condiciones ambientales.

El último elemento de esta lista es más importante, para que ocurra un proceso que es básicamente complejo es arriesgado. Un ejemplo de esto es el CO, proceso -Acceptor en los EE.UU. para la gasificación del carbón. Era un concepto hermoso y muchos millones se gastaron en su desarrollo. Sin embargo, los desarrolladores tuvieron que dejarlo todo, precisamente por su complejidad.

Deslice 22 espectáculos que todo tipo de esquemas se han ideado para la gasificación del carbón. Como se puede ver no hay acuerdo sobre la mejor manera para gasificar el carbón. Bueno, sólo por diversión echemos un vistazo a los cuatro esquemas principales y ver cómo se comparan con los seis criterios para el ideaI.

Esquema 1 (Diapositiva 23) utiliza el aire y poner en contacto gas-sólido en contracorriente con las dos reacciones que tienen lugar en una cama. Durante la reacción a las formas estrechas de la zona caliente y el gas producto se enfría rápidamente. Los principales problemas con este diseño se muestran en la diapositiva 23.

Esquema 2 (Slide 24) muestra cómo se evita el problema de nitrógeno, pero por desgracia a costa de una planta de oxígeno de aguas arriba.

Esquema 3 (diapositiva 25) muestra que la separación de nitrógeno es el problema con los procesos de lecho fluidizado individuales, pero no alquitrán de producción, debido a que los gases del producto se mantienen calientes durante un tiempo razonablemente largo.

Esquema 4 (Diapositiva 26) mantiene las reacciones separadas en dos o más camas fluidizadas. Su principal problema se refiere a la complejidad y el proceso de CO * -Acceptor muestra lo que sucede cuando se toma esta cuestión a la ligera.

Hay muchas variaciones de estos cuatro diseños básicos, y no vamos a entrar en ellos. Basta tener en cuenta que ninguno de los procesos propuestos o enfoque operativo de hoy, en principio, los ideales que figuran en la diapositiva 21. Esto significa que puede valer la pena tratar de concebir un concepto radicalmente diferente y mejor, y no sólo una mejora de la tecnología existente .

Así, manteniendo el ideal en mente, vamos a ver lo que podemos llegar a. Éstos son dos de más de una docena de ideas que nuestro grupo de investigación sillón en la lejana Oregon más uno de Missouri, el profesor Mike Dudukovic, se le ocurrió.

Accesorios en canales de flujo paralelos que están boscoso con tubos de calor con aletas, o más correctamente, con termosifones de aletas, como se muestra en la diapositiva 27? Esto significaría tratar un solo asunto sencillo ligeramente de unos gases-polvo. Todavía no hemos hecho los cálculos en este tipo de operación, de hecho, ni siquiera sabemos si el flujo concurrente o contracorriente de las dos corrientes es mejor, pero sería interesante ver en este concepto debido a su simplicidad.

Diapositiva 28 muestra una idea completamente diferente. En lugar de ejecutar las dos reacciones al mismo tiempo pero en diferentes reactores, ¿por qué no se ejecutan en el mismo reactor, pero en diferentes momentos? Esto conduce al proceso RE-GAS, de pie para gasificador regenerador.

En esta operación el reactor consiste en un gran recipiente vertical de largo con paredes aisladas y lleno de sólido estructurado. Funciona así.

En el primer paso del ciclo de alimentación de polvo de carbón fino suspendido en el aire (de nuevo muy diluidas en sólidos) en el recipiente. El carbón se quema, calienta los sólidos del lecho, y un frente caliente se mueve lentamente por el buque; Sin embargo los gases residuales dejarían cerca a las condiciones ambientales. Esto se muestra en los tres primeros bocetos de la diapositiva 28.

En el momento adecuado cambiar la alimentación a vapor y polvo de carbón sobre el calentamiento y que pasa a través de los sólidos calientes para producir el producto de gas deseado. Durante esta operación un frente frío se mueve lentamente hasta la cama, como se muestra en bocetos 4-6 de 28 diapositivas.

Al final del ciclo de sólo la parte superior de la cama contiene sólido caliente. Entonces se repite todo el ciclo de operaciones, pero al revés.

Ahora bien, si comparamos este esquema con el ideal de la diapositiva 21, vemos que lo hace cumplir todos los requisitos para un proceso ideal, especialmente el criterio de simplicidad ya que no hay circulación de sólidos necesarios y desde toda la tubería externa y válvulas es en cerca de condiciones ambientales.

En este punto se puede plantear una serie de preguntas con este tipo de operación. Por ejemplo:

taparía la unidad con las cenizas? sería la propagación del frente de calor bajar la eficiencia de las operaciones

drásticamente? ocurrirían inestabilidades de temperatura, y si es así ¿cómo podían ser

controlados? Son materiales adecuados de construcción disponibles?

Por supuesto estas preguntas tienen que ser considerados. Sin embargo, la respuesta a estas preguntas constituye el segundo paso en el desarrollo de un proceso, y como he mencionado al principio de esta charla, esto es algo que los ingenieros químicos somos buenos. En cualquier caso, cabe señalar que, en principio, el proceso de re-GAS es superior a los mencionados anteriormente, y de modo mucho más simple ya que uno sólo se está bombeando los gases ligeramente polvorientos fresco. ¿No debería ser visto?

Permítanme volver a la cuestión de concebir nuevos conceptos de proceso.

¿Cómo una organización llega a su concepto para un proceso, ya se trate de la antigravedad o picadora de carne o merry-go-round o lo que sea?

¿El director de investigación vienen en una mañana y dile "Está bien; he estado pensando que deberíamos mirar en molinos de bolas"?

Es el resultado de las deliberaciones de un comité?

¿El investigador pide su técnico para una pequeña unidad, que, de tener éxito, es el escalado una y otra vez?

¿El investigador deliberadamente buscan algo diferente así. de no infringir las patentes de los demás?

No sé cuál es la respuesta.

Tal vez la búsqueda de un concepto de proceso se realiza mejor por conseguir a un grupo de pensadores libres con conocimiento de variados antecedentes e intereses, incluidos los disidentes,

y "hombres salvajes", y dejar que ellos van en ella. Las ideas necesitan tiempo para fermentar, así que vamos a cumplir una y otra vez hasta que todos están de acuerdo con entusiasmo que he llegado con los mejores.

puede ser riesgoso para comenzar con pequeñas plantas piloto a escala de banco sin pensar en toda la operación, porque como uno progresa uno tiene cada vez más invirtieron en seguir el camino que ya se ha elegido, no sólo dinero invertido, pero el esfuerzo y la reputación intelectual . Un impulso se desarrolla a seguir un camino dado que hace más y más difícil de cambiar de dirección, que admitir que alguna otra manera puede ser mejor y que uno debe empezar de nuevo tal vez en una dirección diferente.

Algunos pueden sugerir, sobre todo después de ver todos los muy diferentes diseños en diapositivas 8 y 22, que toda mi debate de hoy puede que no sea pertinente debido a que la diferencia en los costos de procesamiento puede representar solamente un factor de menor importancia en la economía global. Sin embargo, en una operación a gran escala, dudo que esto es así.

Para volver al inicio de mi charla, Le señalé que el desarrollo de un proceso representa un asunto de dos pasos, pensando un buen esquema y luego transformarlo en realidad. En la enseñanza de la ingeniería química nos centramos en el segundo paso, y la forma en que enseñamos esto es con los cursos de conferencias. Pero, ¿este método de enseñanza trabajar con el primer paso? Imagínese tratando de enseñar a andar en bicicleta o nadar en un curso de conferencias!

En una forma de aprendizaje para nadar y el desarrollo de la habilidad de inventar nuevos procesos se realiza de la misma manera por la práctica, y luego más práctica, no por conferencias. Por ejemplo, haga que los estudiantes trabajan en equipos tratando de pensar en esquemas para la fabricación de productos químicos y de x. Anímelos a discutir, argumentar, tirar las ideas más salvajes, pero luego tenerlos califica a estos esquemas. Apuesto a que un esquema más interesante de vez en cuando salir de este ejercicio.

Este tipo de programa sería difícil de establecer, pero no es tan importante lo suficiente para nosotros los educadores para tratar?

Por último, permítanme sugerir que la fuerza motriz, la "razón de ser" de nuestra profesión es la búsqueda y la creación y desarrollo de nuevos procesos para hacer materiales buscados por el hombre. LeBlanc, Solvay, Haber-Bosch y amoníaco, Ipatieff y platino, FCC, la producción de penicilina, zeolitas, estas palabras recuerdan algunos aspectos destacados del pasado. ¿Quién puede siquiera soñar con lo que será mañana. Esta es, pues, la gran aventura de la ingeniería química.