lunes, 22 de diciembre de 2014
martes, 16 de diciembre de 2014
lunes, 15 de diciembre de 2014
Hidrocarburos aromáticos (3 de BGU)
Nomenclatura de los
hidrocarburos aromáticos
Para nombrar los hidrocarburos derivados del benceno por alquilación tales como:
se nombra el radical y a continuación se
nombra benceno, por ejemplo:
Cuando son dos los radicales sustituyentes, se puede
proceder de dos modos distintos:
a) Se numeran los carbonos del benceno asignando la posición 1 de modo que correspondan los números más bajos posibles, y se leen los radicales indicando sus posiciones anteponiéndolas a la palabra benceno:
(Se han nombrado los sustituyentes en orden de complejidad
creciente.)
b) El nombre se deriva de las posiciones relativas de los radicales:
Así, por ejemplo, se nombrarán:
La mayoría de los hidrocarburos
aromáticos poseían nombres triviales, la mayoría de los cuales se conservan:
Obtención
de los hidrocarburos aromáticos
Por destilación del alquitrán de hulla se o tienen benceno, tolueno (metilbenceno), xilenos (dimetilbenceno), naftaleno, antraceno y fenantreno.
Los métodos generales de obtención de hidrocarburos bencénicos son:
a) Síntesis de Wurtz-Fittig
b) Síntesis de Friedel y Crafts
Propiedades
físicas y químicas de los hidrocarburos aromáticos
Son todos incoloros (el antraceno presenta fluorescencia azulada) muy aromáticos, insolubles en agua y menos densos que ésta.
Las reacciones más importantes de los hidrocarburos aromáticos son las de sustitución, en las que un grupo funcional sustituye a uno de los átomos de hidrógeno del anillo aromático:
a) Halogenación
El benceno en presencia de luz solar adiciona cloro hasta llegar a hexacloro ciclohexano:
b) Nitración
Consiste en la sustitución de un hidrógeno por el grupo —NO2, y se produce por la acción del ácido nítrico, en presencia de ácido sulfúrico (mezcla sulfonítrica):
Para nombrar los hidrocarburos derivados del benceno por alquilación tales como:
 |
| etil benceno |
a) Se numeran los carbonos del benceno asignando la posición 1 de modo que correspondan los números más bajos posibles, y se leen los radicales indicando sus posiciones anteponiéndolas a la palabra benceno:
 |
| 1-metil-2-etil-benceno |
b) El nombre se deriva de las posiciones relativas de los radicales:
 | posición orto. Abreviadamente: o |
 | posición meta. Abreviadamente: m |
 | posición para. Abreviadamente: p |
 |  |
| o-metil etil benceno | m-dimetil benceno |
 |  |  |
| metilbenceno (tolueno) | naftaleno (C10H8) | antraceno (C14H10) |
Por destilación del alquitrán de hulla se o tienen benceno, tolueno (metilbenceno), xilenos (dimetilbenceno), naftaleno, antraceno y fenantreno.
Los métodos generales de obtención de hidrocarburos bencénicos son:
a) Síntesis de Wurtz-Fittig
 + 2Na +
Br—R |  | + 2NaBr |
 + Br—CH3 | Cl3Al |  +
2NaBr |
Son todos incoloros (el antraceno presenta fluorescencia azulada) muy aromáticos, insolubles en agua y menos densos que ésta.
Las reacciones más importantes de los hidrocarburos aromáticos son las de sustitución, en las que un grupo funcional sustituye a uno de los átomos de hidrógeno del anillo aromático:
a) Halogenación
El benceno en presencia de luz solar adiciona cloro hasta llegar a hexacloro ciclohexano:
 +
3 Cl2 | Luz
U.V. |
 |
| benceno | hexaclorociclohexano |
Consiste en la sustitución de un hidrógeno por el grupo —NO2, y se produce por la acción del ácido nítrico, en presencia de ácido sulfúrico (mezcla sulfonítrica):
| +
NO3H | SO4H2 |
 + H2O |
La Materia (2 de BGU) Realizar un organizador grafico
La Materia y sus propiedades
Todas las cosas como un elefante, un alfiler, tu lápiz, un libro cualquiera, tu camisa, los zapatos de tu profesora, la piel, entre otras cosas; están formadas por materia. Es decir, todo aquello que podemos tocar o percibir.
La materia puede presentarse de distintas maneras o estados. Además dependiendo de las condiciones, los cuerpos pueden cambiar de estado o manera en que se nos presentan.
Definición de materia
También decimos que la materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos palpables o detectables por medios físicos.Una silla, por ejemplo, ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc. Para que otro objeto pueda ocupar el lugar de la silla; lógicamente, debemos cambiarla de sitio.
Y…¿qué forma la materia?...pues los átomos. Tomemos por ejemplo una pared; está formada por bloques, los bloques están formados por arena, cemento y piedras pequeñas. Si nos fijamos en un granito de arena, este se compone de otras partículas minúsculas llamadas moléculas que están formadas por grupos de átomos.
La fuerza entre los átomos es la razón por la cual el agua cambia de estado. Si la fuerza entre sus átomos es grande, el agua es sólida como el hielo. Si la fuerza entre sus átomos es débil, el agua se convierte en vapor.
Cuando un átomo se rompe o se divide, produce muchísimo calor y luz. La energía atómica.
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El átomo
es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su
identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante
procesos químicos. Elementos y Compuestos El agua es un compuesto, porque dentro de cada una de sus moléculas tiene 2 tipos de átomos diferentes, oxigeno e hidrógeno. La madera también tiene varios tipos de elementos en su interior. |
El oxígeno sólo tiene moléculas y átomos iguales entre sí,
por lo tanto lo consideramos un elemento. Lo mismo le sucede al plomo y
al oro.
 |
La molécula
es un conjunto de átomos iguales o diferentes, unidos por enlaces
químicos, que constituyen la mínima porción de una sustancia que puede
separarse sin alterar sus propiedades. |
Estado
La materia se presenta de varias maneras y formas. El color, el olor y la textura son propiedades de la materia que nos ayudan a diferenciarlos.
Llamamos estado a la manera en que se presenta la materia. Estos pueden ser:
 |
Sólido, tiene una forma definida, como la madera y el cobre. Sus moléculas no cambian de posición. Líquido, no tiene una forma definida, como el agua y el aceite. Sus moléculas pueden cambiar de posición. Gaseoso, no tiene una forma definida, como el aire y el vapor de agua. Sus moléculas cambian libremente de posición. |
Dependiendo las condiciones, la materia puede presentarse en uno u otro estado.
Propiedades generales de la materia
Haz clic para ampliar
Propiedades extrínsecas (extensivas o generales)
Son aquellas que no varían con la cantidad de materia
considerada. No son aditivas y, por lo general, resultan de la
composición de dos propiedades extensivas. Estas son: punto de fusión,
punto de ebullición, densidad, coeficiente de solubilidad, índice de
refracción, color, olor, sabor.Propiedades intrínsecas (intensivas o específicas)
Son aquellas que varían con la cantidad de materia considerada, permitiendo reconocer a la materia, como la extensión, o la inercia. Estas son: peso, volumen y longitud.Otras propiedades de la materia
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La materia está en constante cambio. Las transformaciones que pueden producirse son de dos tipos:
- Físicas: son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de la sustancia, ya que sus moléculas no se modifican.
- Químicas: son aquellas en las que las sustancias se transforman en otras, debido a que los átomos que componen las moléculas se separan formando nuevas moléculas.
¿Cómo medir la materia?
Para medir la materia necesitamos saber cuánta materia tiene un cuerpo y su tamaño. Masa, longitud y volumen son propiedades comunes a todos los cuerpos.Se llaman magnitudes aquellas propiedades que pueden medirse y expresarse en números. Son magnitudes la longitud, masa, volumen, etc.
Masa
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Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Es más difícil
empujar un camión que un vehículo pequeño. La cantidad de masa hace la
diferencia. El camión tiene más masa y es más difícil de empujar. |
Para medir la masa de un objeto utilizamos las balanzas y la expresamos en unidades de libras o kilogramos.
Longitud
 |
Es la distancia entre dos puntos. La distancia se mide con una
regla, una cinta de medir u otros dispositivos de medición con láser,
etc… Cuando mides es muy importante decir que unidad usas. Por ejemplo, si dices que mediste 23 todos nos preguntaremos ¿23 qué; centímetros, milímetros, kilómetros? A estos los llamamos “unidades” sin ellas, los números solos no tienen ningún sentido. |
Volumen
 |
Es una magnitud definida como el espacio ocupado por un
cuerpo. Para conocer el volumen de un cuerpo, simplemente multiplicamos
su ancho por su largo y luego por su alto. Es una función derivada, ya que se obtiene multiplicando las tres dimensiones. Su unidad de medida es el metro cúbico (m3), aunque temporalmente también acepta el litro, que se utiliza comúnmente en la vida práctica. |
Vamos a suponer que tenemos una tonelada de algodón y una tonelada de acero, ¿cuál de ambos ocupa el mayor volumen? La respuesta es el algodón, se necesita grandes cantidades para completar una tonelada. Es la densidad quien hace la diferencia en el volumen.
El acero es más denso que el algodón, es decir, se necesita menos material para completar la tonelada.
La densidad de una sustancia se relaciona con la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. La representaremos con la letra griega , la masa queda representada por la letra “m” y “V” el volumen.
La densidad de un cuerpo está relacionada con su capacidad de flotar. Un cuerpo flotará si su densidad es menor que la de la sustancia, por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella. El plomo posee mayor densidad que el agua y la densidad de la madera es menor.
Las unidades de medida de la densidad son el kg/m3, que se lee “kilogramo sobre metro cúbico” o un sub-múltiplo como g/cm3. Para calcular la densidad debemos medir la masa y el volumen, luego dividimos la masa entre el volumen y el resultado debe quedar expresado en kg/m3.
En la tabla que te presentamos puedes comparar algunas densidades:
Las sustancias con grandes densidades se les llama pesadas, ejemplo de estas son los metales. A las sustancias con densidades pequeñas se les llama ligeras, aquí entran el aire y otros gases.
El peso
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La fuerza de gravedad sobre un objeto es llamada peso. Peso y masa no es lo mismo. Una bola de acero con una masa de 10 kilogramos no pesa igual en la tierra y en la luna. Como notamos tendrá la misma masa pero el peso es diferente. La luna tiene una fuerza de atracción mucho menor que la tierra, por lo que la bola pesará menos en el satélite. El peso de los objetos se debe a que la tierra, los atrae con su poderosa fuerza de atracción. La unidad de medida del peso es el newton. Comúnmente las personas confunden la masa con el peso. Es fácil confundirnos porque mientras más masa, mayor es la fuerza de atracción. Recuerda, al estudiar física, el peso depende de la gravedad y se mide en Newtons. |
Para calcular el peso de un objeto simplemente medimos su masa y la multiplicamos por la fuerza de gravedad (9.8 newtons/kilogramo) en la tierra. En la luna la fuerza de atracción es 6 veces menor, con una magnitud de 1.6 n/kg.
La siguiente tabla compara el peso de un cuerpo con 60 kg de masa en la Tierra, con otros planetas y la Luna.
El tiempo
¿Por qué el tiempo? ¿Sirve el tiempo para medir la materia?
Claro! ... fíjate que los cuerpos existen porque existe el tiempo. Todos los cuerpos y objetos tienen una duración limitada para luego convertirse en otra cosa. Una madera por ejemplo, se descompone con el paso del tiempo, convirtiéndose en gases, aceites...y finalmente en tierra.
En todos los experimentos físicos o químicos, es importante controlar esa "cuarta dimensión". Las otras tres dimensiones de un cuerpo son: largo, alto y ancho.
Es la magnitud física que mide la duración o separación de acontecimientos. La duración limitada de las cosas y una referencia para entender los sucesos. Medir el tiempo es importantísimo para los seres humanos y para los científicos.
Una manera de medir el tiempo es el formato de fechas. Por ejemplo: en 2009 el verano inició el 21 de marzo a las 11:23 p.m. indicando un momento del tiempo.
A menudo, los científicos y los deportistas necesitan medir cantidades de tiempo. Cuando decimos: “9 minutos y 8 segundos” (00:09:08) estamos especificando una cantidad de tiempo.
Un cronómetro mide intervalos o cantidades de tiempo, tiene un botón para iniciar y detener el conteo. La pantalla presenta el tiempo en segundos en un máximo de 60.
El tiempo se presenta en el formato min:seg cuando se cuentan más de 60 segundos.
Muchas veces los científicos y quienes hacen experimentos miden el tiempo en segundos, sin embargo el tiempo normalmente se expresa en unidades de tiempo mezcladas que incluyen horas, minutos y segundos.
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El Atomo ( ! de BGU) Realizar un mapa conceptual
Estructura Atómica
En el siglo V antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito postuló, sin evidencia científica, que el Universo estaba compuesto por partículas muy pequeñas e indivisibles, que llamó "átomos".
Átomo, la unidad más pequeña posible de
un elemento químico. En
la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba
para
referirse a la parte de materia más pequeño que podía concebirse.
Esa
“partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese
concepto, se
consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no
divisible”.
El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy
lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a
especular
sobre él.
Sin embargo, los avances científicos de este
siglo han demostrado que la estructura atómica integra a partículas más
pequeñas.
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Así una definición de átomo sería:
El átomo es la parte más pequeña en la que se puede obtener materia
de forma estable, ya que las partículas subatómicas que lo componen no pueden
existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales. El átomo está formado
por un núcleo, compuesto a su vez por protones y neutrones, y por una corteza
que lo rodea en la cual se encuentran los electrones, en igual número que los
protones.
Protón, descubierto por Ernest Rutherford a
principios del siglo XX, el protón es una partícula elemental que constituye
parte del núcleo de cualquier átomo. El número de protones en el núcleo
atómico, denominado número atómico, es el que determina las propiedades
químicas del átomo en cuestión. Los protones poseen carga eléctrica positiva y
una masa 1.836 veces mayor de la de los electrones.
Neutrón, partícula elemental que constituye parte del núcleo
de los átomos. Fueron descubiertos en 1930 por dos físicos alemanes, Walter
Bothe y Herbert Becker. La masa del neutrón es ligeramente superior
a la del protón, pero el número de neutrones en el núcleo no determina las
propiedades químicas del átomo, aunque sí su estabilidad frente a posibles
procesos nucleares (fisión, fusión o emisión de radiactividad). Los neutrones
carecen de carga eléctrica, y son inestables cuando se hallan fuera del núcleo,
desintegrándose para dar un protón, un electrón y un antineutrino.
Electrón, partícula
elemental que constituye parte de cualquier átomo, descubierta en 1897 por J.
J. Thomson. Los electrones de un átomo giran en torno a su núcleo, formando
la denominada corteza electrónica. La masa del electrón es 1836 veces
menor que la del protón y tiene carga opuesta, es decir, negativa. En
condiciones normales un átomo tiene el mismo número de protones que electrones,
lo que convierte a los átomos en entidades eléctricamente neutras. Si un
átomo capta o pierde electrones, se convierte en un ion.
Los
científicos y el átomo
Ernest
Rutherford, científico nacido en Nueva Zelandia, demostró en 1911 la existencia
del núcleo atómico, complementando el conocimiento del electrón, descubierto en
1897 por J.J. Thompson. Desde entonces, múltiples experiencias han demostrado
que el núcleo está compuesto por partículas más pequeñas, los protones y
neutrones. Y en 1963, Murray Gell-Mann postuló que protones y neutrones están
compuestos por partículas aún más pequeñas, a las que llamó "quarks".
La
experiencia de Rutherford fue crucial en la determinación de la estructura
atómica. Los párrafos que siguen son un extracto de su propia comunicación
(1911):
"Es un hecho bien conocido que las partículas alfa y beta
sufren desviaciones de sus trayectorias rectilíneas a causa de las
interacciones con los átomos de la materia.
Parece indudable que estas partículas de movimiento veloz pasan en
su recorrido a través de los átomos, y las desviaciones observadas son debidas
al campo eléctrico dentro del sistema atómico.
Las observaciones de Geiger y Mardsen sobre la dispersión de
partículas alfa, indican que algunas de estas partículas deben de experimentar
en un solo encuentro desviaciones superiores a un ángulo recto.
Un cálculo simple demuestra que el átomo debe de ser asiento de un
intenso campo eléctrico para que se produzca una gran desviación en una
colisión simple..."
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En
aquella época Thomson había elaborado un modelo de átomo consistente en un
cierto número N de corpúsculos cargados negativamente, acompañados de una
cantidad igual de electricidad positiva distribuida uniformemente en toda una
esfera. Rutherford pone a prueba este modelo y sugiere el actual modelo de
átomo.
"La teoría de Thomson
está basada en la hipótesis de que la dispersión debida a un simple choque
atómico es pequeña y que la estructura supuesta para el átomo no admite una
desviación muy grande de una partícula alfa que incida sobre el mismo, a menos
que se suponga que el diámetro de la esfera de electricidad positiva es pequeño
en comparación con el diámetro de influencia del átomo.
Puesto que las
partículas alfa y beta atraviesan el átomo, un estudio riguroso de la
naturaleza de la desviación debe proporcionar cierta luz sobre la constitución
del átomo, capaz de producir los efectos observados. En efecto, la dispersión
de partículas cargadas de alta velocidad por los átomos de la materia
constituyen uno de los métodos más prometedores de ataque del problema.."
En la
simulación de la experiencia de Rutherford, consideramos una muestra de un
determinado material a elegir entre varios y la situamos en el centro de un
conjunto de detectores dispuestos a su alrededor. El blanco es bombardeado por
partículas alfa de cierta energía producidas por un material radioactivo. Se
observa que muy pocas partículas son desviadas un ángulo apreciable, y se
producen muy raramente sucesos en los que la partícula alfa retrocede.
Un poco de historia
Cinco
siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la materia
podía ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto que tales
partículas fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría de que
la materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos (del
griego atomos, indivisible).
El modelo de Dalton
En 1803
el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución de
la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes
grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por
unidades fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos
se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de
átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía
considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles.
 |
Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que
los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas
elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por
el investigador Sir Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906.
Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en
Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas
alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas
alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra
en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.
El
núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en
la Universidad de
Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años
1909 a 1911. El experimento
utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra
una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la
trayectoria de las partículas , se dedujo la
distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.
Constitución del átomo y modelos atómicos
La
descripción básica de la constitución atómica, reconoce la existencia de
partículas con carga eléctrica negativa, llamados electrones, los cuales giran
en diversas órbitas (niveles de energía) alrededor de un núcleo central con
carga eléctrica positiva. El átomo en su conjunto y sin la presencia de
perturbaciones externas es eléctricamente neutro.
El
núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones
que no poseen carga eléctrica.
El
tamaño de los núcleos atómicos para los diversos elementos están
comprendidos entre una cienmilésima y una diezmilésima del tamaño del
átomo.
La
cantidad de protones y de electrones presentes en cada átomo es la misma. Esta
cantidad recibe el nombre de número atómico, y se designa por la letra
"Z". A la cantidad total de protones más neutrones presentes en un
núcleo atómico se le llama número másico y se designa
por la letra "A".
Si designamos
por "X" a un elemento químico cualquiera, su número atómico y másico
se representa por la siguiente simbología:
ZXA
Por
ejemplo, para el Hidrógeno tenemos: 1H1.
Si bien hoy en día todas las características anteriores de la constitución atómica son
bastante conocidas y aceptadas, a través de la historia han surgido diversos
modelos que han intentado dar respuesta sobre la estructura del átomo.
a) El
Modelo de Thomson.
Thomson
sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón,
descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los
electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era
eléctricamente neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de
fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento
de nuevas partículas y los experimentos llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas.
b) El
Modelo de Rutherford.
Basado
en los resultados de su trabajo que demostró la existencia del núcleo atómico,
Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en
un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones
giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una
masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del
núcleo y de los electrones se neutralizan entre sí,
provocando que el átomo sea eléctricamente neutro.
El
modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los
electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón
terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia el
núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto por su
discípulo Neils Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo
que a Rutherford se le conoce como el padre de la era nuclear.
c) El
Modelo de Bohr.
El
físico danés Niels Bohr ( Premio Nobel de Física
1922), postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del
núcleo atómico. Los electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las
cuales determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un
nivel de energía superior, para lo cual necesita "absorber" energía.
Para volver a su nivel de energía original es necesario que el electrón emita
la energía absorbida (por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien
se ha perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física
nuclear.
d)
Modelo Mecano - Cuántico.
Se
inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie, quién recibió el
Premio Nobel de Física en 1929. Según De Broglie, una partícula con cierta
cantidad de movimiento se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón
tiene un comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a
velocidades elevadas. Al comportarse el electrón como una onda, es difícil
conocer en forma simultánea su posición exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo
existe la probabilidad de encontrar un electrón en cierto momento y en una
región dada en el átomo, denominando a tales regiones como niveles de energía.
La idea principal del postulado se conoce con el nombre de Principio de
Incertidumbre de Heisenberg
domingo, 7 de diciembre de 2014
lunes, 1 de diciembre de 2014
EQUILIBRIO TÉRMICO ( 2 DE BGU)
Equilibro térmico |
Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.
Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecera un flujo deenergía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.
Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecera un flujo deenergía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.
La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula
Donde:
Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.
m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos
Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C
Δt es la variación de temperatura = Tf − T0. Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0), y su fórmula es
Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.
m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos
Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C
Δt es la variación de temperatura = Tf − T0. Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0), y su fórmula es
Hasta aquí hemos hablado siempre de igualar temperaturas y ello nos lleva a concluir que a los cuerpos no se les puede asignar unacantidad de calor. Lo que realmente tiene sentido son los intercambios de calor que se deben a las diferencias de temperaturasque existen entre los cuerpos que están en contacto.
Ver: PSU: Física, Pregunta 14_2005(2)
A continuación, desarrollemos algunos ejercicios que nos ayudarán a comprender la materia expuesta:
A continuación, desarrollemos algunos ejercicios que nos ayudarán a comprender la materia expuesta:
Ejercicio 1)
¿Cuál será la temperatura de una mezcla de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius y 50 gramos de agua a 40 grados Celsius?
Desarrollo:
Datos:
Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C
El agua que está a 20º C ganará temperatura
El agua que está a 40º C perderá temperatura
Sabemos que para conseguir el equilibrio térmico (igualar las temperaturas) la cantidad de calor ganada por un cuerpo debe ser igual a la cantidad de calor perdida por el otro.
Entonces:
para los 50 gr de agua a 20º C tendremos Q1 (cantidad de calor ganada)
reemplazamos los valores y queda
(cantidad de calor ganada)
para los 50 gr de agua a 40º C tendremos Q2 (cantidad de calor perdida)
(cantidad de calor perdida)
Como Q1 = Q2 (calor ganado = calor perdido)
Entonces:
Respuesta: La temperatura de equilibrio es 30 grados Celcius
Ejercicio 2)
¿Cuál será la temperatura final de una mezcla de 100 gramos de agua a 25 grados Celsius con 75 gramos de agua a 40 grados Celsius?
Desarrollo:
Datos:
Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C
Los 100 gr de agua que están a 25º C ganarán temperatura
Los 75 gr de agua que están a 40º C perderán temperatura
Sabemos que Q1 = Q2 (calor ganado = calor perdido)
Entonces
Respuesta: La temperatura final o de equilibrio de la mezcla es 31,43º C.
Ejercicio 3)
¿Cuál será la temperatura final de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius cuando se sumergen en ella 110 gramos de clavos de acero a 40 grados Celsius?
Desarrollo:
Datos:
Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C
Capacidad calorífica específica del acero: 0,12 cal/grº C
Los 50 gr de agua que están a 20º C ganarán temperatura
Los 110 gr de clavos que están a 40º C perderán temperatura
Sabemos que Q1 = Q2 (calor ganado = calor perdido)
Entonces
Respuesta: La temperatura final o de equilibrio de los clavos en el agua será de 24,177º C.
Ejercicio 4)
En 300 gramos de agua a 180 grados centígrados se introducen 250 gramos de hierro a 200 grados centígrados, determinar la temperatura de equilibrio.
Desarrollo:
Datos:
Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C
Capacidad calorífica específica del hierro: 0,113 cal/grº C
Los 300 gr de agua que están a 180º C ganarán temperatura
Los 250 gr de hierro que están a 200º C perderán temperatura
Sabemos que Q1 = Q2 (calor ganado = calor perdido)
Entonces
Respuesta: El agua y el hierro sumergido en ésta quedarán a 181,72º C.
domingo, 23 de noviembre de 2014
COMBUSTIBLE EN BASE A LA CAÑA DE AZUCAR (CLUBES)
Análisis de dos casos de estudio
Si se toman dos casos de estudio de producción diversificada, el primero con producción de azúcar y de etanol a partir de miel final, y el segundo, con producción de azúcar y de etanol a partir de miel B y jugo de los filtros, tendremos como resultados los mostrados en los esquemas de las figuras 3 y 4, obtenidos en corridas del programa DAFLEX (Diversificación Azucarera Flexible) desarrollado en el ICIDCA sobre hoja de cálculo EXCEL [Díaz, et al., 2002]. Los esquemas anteriores se calcularon tomando como base los parámetros que se muestran en la tabla II.
Del análisis de ambos esquemas, y de los parámetros de operación de la tabla 2, se observa que las diferencias entre la energía eléctrica generada durante y después de zafra, así como en la energía consumida en los procesos de producción de azúcar y etanol, no son muy grandes; el segundo esquema (Fig. 4) vende 4,64 MWh más durante ambas etapas, que el primero (Fig. 3), en el que resulta mayor la electricidad vendida después de zafra (16,95 MWh), generada con el bagazo sobrante que se emplearía en la producción de etanol, si no se utilizara en la generación de electricidad. Por tanto, partiendo de una producción de 186 L de etanol por tonelada de bagazo con los procesos actuales de hidrólisis de biomasa, se simuló la generación de electricidad a partir del etanol obtenido con el bagazo sobrante en los dos esquemas anteriores, con las mismas condiciones de ambos, y que se presentan en las figuras 5 y 6, donde se observa que la cantidad de etanol producido en ambos esquemas se diferencia sólo en 2,24 t/día, que representan alrededor de 2 835 L de etanol más por día, pero la electricidad que se produce en ambos casos no difiere y es de 4,70 MWh.
En este caso, si se compara la electricidad que se puede producir con el etanol que se obtiene a partir del bagazo sobrante de los esquemas anteriores, con la electricidad que se genera a partir de la combustión directa del mismo, se corrobora que tal y como se demostró en la comparación de la cantidad de calor que se podía producir con ambos combustibles, con el bagazo se obtiene mucha más energía eléctrica y térmica, que con el etanol producido a partir de éste.
Si se toman dos casos de estudio de producción diversificada, el primero con producción de azúcar y de etanol a partir de miel final, y el segundo, con producción de azúcar y de etanol a partir de miel B y jugo de los filtros, tendremos como resultados los mostrados en los esquemas de las figuras 3 y 4, obtenidos en corridas del programa DAFLEX (Diversificación Azucarera Flexible) desarrollado en el ICIDCA sobre hoja de cálculo EXCEL [Díaz, et al., 2002]. Los esquemas anteriores se calcularon tomando como base los parámetros que se muestran en la tabla II.
Del análisis de ambos esquemas, y de los parámetros de operación de la tabla 2, se observa que las diferencias entre la energía eléctrica generada durante y después de zafra, así como en la energía consumida en los procesos de producción de azúcar y etanol, no son muy grandes; el segundo esquema (Fig. 4) vende 4,64 MWh más durante ambas etapas, que el primero (Fig. 3), en el que resulta mayor la electricidad vendida después de zafra (16,95 MWh), generada con el bagazo sobrante que se emplearía en la producción de etanol, si no se utilizara en la generación de electricidad. Por tanto, partiendo de una producción de 186 L de etanol por tonelada de bagazo con los procesos actuales de hidrólisis de biomasa, se simuló la generación de electricidad a partir del etanol obtenido con el bagazo sobrante en los dos esquemas anteriores, con las mismas condiciones de ambos, y que se presentan en las figuras 5 y 6, donde se observa que la cantidad de etanol producido en ambos esquemas se diferencia sólo en 2,24 t/día, que representan alrededor de 2 835 L de etanol más por día, pero la electricidad que se produce en ambos casos no difiere y es de 4,70 MWh.
En este caso, si se compara la electricidad que se puede producir con el etanol que se obtiene a partir del bagazo sobrante de los esquemas anteriores, con la electricidad que se genera a partir de la combustión directa del mismo, se corrobora que tal y como se demostró en la comparación de la cantidad de calor que se podía producir con ambos combustibles, con el bagazo se obtiene mucha más energía eléctrica y térmica, que con el etanol producido a partir de éste.
  Fig. 3. Esquema de producción diversificada. Miel final a etanol. |
  Fig. 4. Esquema de producción diversificada. Miel B y jugo de los filtros a etanol |
  Fig. 5. Generación de electricidad con el etanol producido con el bagazo sobrante en el esquema de miel final a etanol. |
 Fig. 6. Generación de electricidad con el etanol producido con el bagazo sobrante en el esquema miel final y jugo de los filtros a etanol. |
Tabla 2. Parámetros de la producción de azúcar
y etanol de los casos representados en las figuras 3 y 4
| Parámetro | Esquema 1 | Esquema 2 | Parámetro | Esquema 1 | Esquema 2 |
| Días de zafra | 180 | 180 | Consumo vapor proceso, t/t caña | 0,26 | 0,26 |
| Molienda real, t/día | 6 300 | 6300 | Índice general de vapor, t vapor/t bagazo | 7000 | 7000 |
| Caña molida, t/h | 262,5 | 262,5 | Número y capacidad de turbos | 1 de 15 MW | 1 de 15 MW |
| Bagazo en caña, kg/t caña | 285 | 285 | Eficiencia turbos, % | 0,80 | 0,80 |
| Cantidad de calderas | 1 | 1 | Consumo electricidad azúcar, MWh | 4,08 | 6,07 |
| Capacidad calderas, t/día | 100 | 100 | Consumo electricidad etanol, MWh | 0,79 | 0,79 |
| Presión de vapor vivo, kgf/cm2 | 42 | 42 | Bagazo disponible / calderas, t | 1 797,34 | 1 797,34 |
| Temperatura del vapor vivo, ºC | 400 | 400 | Bagazo/generación en zafra, t/día | 1 021,71 | 918,30 |
| Entalpía del vapor vivo, kCal/kg | 766,93 | 766,93 | Bagazo/generación después de zafra, t/día | 775,63 | 879,04 |
| Consumo vapor en turbogeneradores, kg/kW | 5 | 5 | Poder calorífico inferior del bagazo, kCal/kg | 1 850 | 1 850 |
| Presión vapor de escape, kgf/cm2 | 2,5 | 2,5 | Producción electricidad en zafra, MWh | 17,37 | 15,6 |
| Entalpía vapor de escape, kCal/kg | 648,85 | 648,85 | Producción electricidad después de zafra, MWh | 16,95 | 14,9 |
Los parámetros utilizados, sobre todo en cuanto a presión de vapor en la caldera y equipos de cogeneración, son aún modestos si se requiere potenciar la generación de electricidad. Si se realiza un análisis de la evolución técnica que ha sufrido la cogeneración en la industria azucarera, debido a los cambios de filosofía en cuanto a la disponibilidad de bagazo y su uso como fuente de energía, renovable y limpia, para la generación de electricidad, observamos que [Costa, 2008]:
 Fig. 7. Diagrama típico o tradicional de un ingenio azucarero. |
 Fig. 8. Diagrama típico optimizado de un ingenio azucarero. |
1. Antiguamente, el bagazo era considerado como un residual que ocasionaba un problema ambiental, por lo que debía ser quemado para resolver tal situación, y sólo se producía con él la electricidad y el vapor necesario para el proceso. Las calderas utilizadas eran de baja presión y temperatura, con una eficiencia pobre, al igual que las unidades de cogeneración que, en muchas ocasiones, no satisfacían todas las necesidades del ingenio azucarero. Por lo general, los motores mecánicos eran accionados con pequeñas turbinas de vapor, y sólo las bombas y otros equipos como las centrífugas, y otros, eran accionados por motores eléctricos (Fig. 7).
2. Posteriormente se optimiza el esquema anterior, produciéndose una generación de energía más eficiente, con una mejor relación presión/temperatura (Fig. 8), pero, sin embargo aún no bien optimizada y por debajo de las posibilidades reales. Las calderas de nueva generación tenían todavía una eficiencia media y subsistían aún demasiados motores mecánicos accionados con turbinas pequeñas de vapor, de baja eficiencia. No existía todavía un concepto definido de planta de generación de vapor y energía, pues la generación de electricidad no era todavía una necesidad.
3. Actualmente, la filosofía energética de la industria azucarera y de los derivados ha cambiado, debido al alza de los precios del petróleo, la necesidad de buscar fuentes alternativas de energía, limpias además, para evitar o disminuir la emisión de gases de efecto invernadero (Fig. 9). Por esta razón, la mayoría de los ingenios azucareros actuales presentan esquemas más eficientes de cogeneración, con mayores presiones, mayores eficiencias y con aporte de electricidad a la red. La producción de energía ha pasado a ser uno de los principales productos del ingenio azucarero, y los esquemas se caracterizan por [Costa, 2008]: Parámetros de alta presión y temperatura, con calderas de alta eficiencia
• Reemplazo de turbinas de vapor pequeñas por motores eléctricos con convertidor de frecuencia, por lo que se incrementa la eficiencia global de la planta
• La eficiencia es un objetivo fundamental en todo el ingenio azucarero. En algunos países se utiliza la paja y la punta de la caña como combustibles adicionales al bagazo Se utilizan equipos de alto comportamiento rendimiento y eficiencia
• Se realiza una evaluación técnica de los procesos de gasificación de la paja de la caña y el bagazo, para producir una migración a ciclo combinado.
2. Posteriormente se optimiza el esquema anterior, produciéndose una generación de energía más eficiente, con una mejor relación presión/temperatura (Fig. 8), pero, sin embargo aún no bien optimizada y por debajo de las posibilidades reales. Las calderas de nueva generación tenían todavía una eficiencia media y subsistían aún demasiados motores mecánicos accionados con turbinas pequeñas de vapor, de baja eficiencia. No existía todavía un concepto definido de planta de generación de vapor y energía, pues la generación de electricidad no era todavía una necesidad.
3. Actualmente, la filosofía energética de la industria azucarera y de los derivados ha cambiado, debido al alza de los precios del petróleo, la necesidad de buscar fuentes alternativas de energía, limpias además, para evitar o disminuir la emisión de gases de efecto invernadero (Fig. 9). Por esta razón, la mayoría de los ingenios azucareros actuales presentan esquemas más eficientes de cogeneración, con mayores presiones, mayores eficiencias y con aporte de electricidad a la red. La producción de energía ha pasado a ser uno de los principales productos del ingenio azucarero, y los esquemas se caracterizan por [Costa, 2008]: Parámetros de alta presión y temperatura, con calderas de alta eficiencia
• Reemplazo de turbinas de vapor pequeñas por motores eléctricos con convertidor de frecuencia, por lo que se incrementa la eficiencia global de la planta
• La eficiencia es un objetivo fundamental en todo el ingenio azucarero. En algunos países se utiliza la paja y la punta de la caña como combustibles adicionales al bagazo Se utilizan equipos de alto comportamiento rendimiento y eficiencia
• Se realiza una evaluación técnica de los procesos de gasificación de la paja de la caña y el bagazo, para producir una migración a ciclo combinado.
 Fig. 9. Diagrama de un ingenio azucarero actual. |
En la actualidad, dada la potencialidad de la industria azucarera, las plantas de azúcar y derivados se están convirtiendo en productores de energía, es decir, la energía pasa a ser un producto principal y deja de contemplarse como un subproducto. En los nuevos ingenios azucareros, o en aquellos que se remodelan sobre todo desde el punto de vista energético, se tienen en consideración para el diseño de la planta de cogeneración los siguientes factores [Costa, 2008; Herrera, 2010]:
• Utilización del bagazo sólo, o bagazo más paja de la caña como combustible.
• Parámetros de vapor. Altas presiones y temperaturas con bajo consumo de vapor por kW de electricidad producido.
• Reducción de consumos internos de vapor de proceso en todo el ingenio azucarero.
• Electrificación de los accionadores
• Conexión a la red pública
• Operación del ingenio azucarero sólo en zafra, o fuera de zafra, para producción de electricidad con el bagazo sobrante.
• Uso de nuevas tecnologías.La tendencia actual es la de aumentar la eficiencia de todos los equipos que intervienen en la producción y utilización de la energía, fundamentalmente la caldera y los turbogeneradores, lo que se resume según [Costa, 2008]:
• Parámetros de vapor por encima de 85 bares y 500 ºC.
• Producción de energía durante todo el año o la mayor parte de él.
• En cuanto a las turbinas se estimula el uso de una sola turbina de gran tamaño, de condensación-extracción y con álabes de reacción, en vez de dos unidades, una de contrapresión con extracción y otra de condensación, trabajando a 92 bares y 530 ºC.La siguiente tabla, compara los anteriores esquemas de cogeneración en cuanto a consumo específico de vapor/kW y energía eléctrica generada en MWh/año [Costa, 2008]:
Tabla 3. Comparación entre los diferentes esquemas de cogeneración
| Presión, bar | 21 | 42 | 65 | > 90 |
| Temperatura, ºC | 300 | 400 | 490 | > 500 |
| Consumo especifico, kg vapor/kW | 12,5 | 7,8 | 5,7 | 4,74 |
| Energía generada, MW/año | 38 400 | 61 500 | 84 200 | 101 300 |
| Incremento de generación, % | X | X + 60 | X + 200 | X + 260 |
No obstante, las bondades de la generación y cogeneración examinadas anteriormente con altas presiones y temperaturas de vapor, turbogeneradores de condensación extracción y gran tamaño, el rendimiento del ciclo Rankine es muy malo. Por ejemplo, con turbina y bomba de buenos rendimientos internos (cercanos a 85%), un ciclo de Rankine difícilmente supera 30%. Introduciendo mejoras como el sobrecalentamiento, el recalentamiento y la adecuada elección de las temperaturas y presiones de inicio y término de expansión, los ciclos de Rankine modificados pueden llegar a tener rendimientos cercanos a 40% [Monsalve, 2008].
Para obtener rendimientos más altos, se hace necesaria la incorporación de la tecnología de ciclo combinado, en la que se realiza la generación, mediante gas primero (turbina de gas), y mediante vapor en forma paralela e integrada, en una segunda etapa. De la misma manera, el gas de síntesis obtenido de la biomasa, podría ser tratado y convertido a etanol. Ambos procesos no están disponibles todavía a escala comercial, aún cuando la gasificación ya ha sido realizada a escalas piloto y demostrativa [Yanagihara].
Para obtener rendimientos más altos, se hace necesaria la incorporación de la tecnología de ciclo combinado, en la que se realiza la generación, mediante gas primero (turbina de gas), y mediante vapor en forma paralela e integrada, en una segunda etapa. De la misma manera, el gas de síntesis obtenido de la biomasa, podría ser tratado y convertido a etanol. Ambos procesos no están disponibles todavía a escala comercial, aún cuando la gasificación ya ha sido realizada a escalas piloto y demostrativa [Yanagihara].
 Fig. 10. Esquema y diagrama T vs. S para un ciclo combinado. |
Tomando la expresión de eficiencia térmica teórica máxima para cualquier máquina térmica, hacemos un análisis comparativo sencillo entre el ciclo Rankine y el ciclo combinado, partiendo de las siguientes condiciones: 1 100 ºC de temperatura de combustión del bagazo, en el ciclo Rankine se obtiene vapor en la caldera a 520 ºC, y se condensa a 70 ºC, temperatura de salida de la turbina de gas es de 520 ºC (se considera igual al del ciclo Rankine, lo cual no es cierto, pues no se pierde tanto calor en una turbina de gas), y 20% de pérdidas en la caldera de recuperación que genera vapor a 400 ºC, con 70 ºC en el vapor condensante, se tiene [AADECA, 1994; Lesme]:
• Ciclo Rankine: (1 - (70 + 273) / (520 + 273)) * 100 = 56,7%η
• Ciclo combinado: (1 - (550 + 273) / (1100+273)) + η (80 / 100)*((550 + 273) / (1 100 + 273))*(1-(70 + 273) / (400 + 273)) = [0,40 + 0,23] = 0,63 = 63,0% η
Del análisis anterior se desprende que aún imponiéndole al ciclo Bryton del ciclo combinado, las pérdidas de calor del ciclo Rankine, que no son ciertas, éste siempre tendrá como mínimo 10% de eficiencia por encima del Rankine. Un análisis más preciso se hubiera realizado con las expresiones de eficiencia de cada ciclo, con sus características. Por lo general, las diferencias entre ambos son muchísimo mayores.
Conclusiones
1. Inobjetablemente, el bagazo de la caña de azúcar tendrá siempre un valor de uso mucho mayor como combustible directo, que como materia prima para la producción de etanol.
2. La tendencia futura es la de lograr establecer, de manera económica y a mayor escala, la tecnología de gasificación de los materiales lignocelulósicos en general, y del bagazo de caña en particular, con la que se lograrán eficiencias mucho mayores en la producción de electricidad a partir de biomasa.
3. Sería de gran utilidad, aún con el ciclo Rankine mejorado (altas presiones y temperaturas, entre otras mejoras), adicionar los residuos de la cosecha cañera (RAC) tratados mecánicamente y mezclados con el bagazo, para incrementar la capacidad de generación de electricidad, y las ventas a la red durante y fuera de zafra.
4. El rendimiento actual de la tecnología de obtención de etanol de biomasa a partir de hidrólisis, tanto ácida como enzimática (186 L de etanol/t de bagazo), así como los rendimientos máximos posibles que se vislumbran con esta tecnología (~ 300 L de etanol/t de bagazo), no superan en valor energético las posibilidades de generación de energía eléctrica y térmica, a partir de la combustión directa de este material, con las tecnologías de cogeneración actuales, y mucho menos con la utilización de los ciclos combinados.
5. La generación de energía eléctrica a partir de bagazo, puede servir, además, para la venta de créditos de carbono, por evitar la emisión de gases de efecto invernadero, con lo que se logra la reevaluación de su uso como combustible limpio.
6. La gasificación del bagazo y la utilización de los ciclos combinados de generación y cogeneración, unido al establecimiento a escala comercial de la utilización del gas de síntesis para la producción de etanol, podrían, dada la eficiencia de ambos, permitir compromisos de generación eléctrica y de obtención de etanol, con balances económicos adecuados.
7. Independientemente a la afirmación anterior, sólo se podría pensar en la utilización del bagazo para la producción de etanol, en países con disponibilidad de otros recursos energéticos para la generación y cogeneración de electricidad, y con grandes reservas de hidrocarburos, que necesiten de grandes cantidades de etanol para la oxigenación de sus gasolinas, o su uso como combustible líquido para cumplimentar el Tratado de Kyoto, o de otros que, sin adecuadas reservas de combustible, posean grandes parques automotores. No obstante, tendrían que ser insuficientes las posibilidades de obtención de este combustible por los métodos tradicionales. Este caso podría ser por ejemplo, el de Venezuela, EE.UU. y Brasil, aunque éste último requiere mayor potencialidad hacia la generación de electricidad, que hacia la producción de etanol [BNDES, 2008].
Recomendaciones
1. Realizar estudios de factibilidad técnico-económicos que ayuden a establecer adecuadamente los usos más racionales del bagazo en cada caso particular.
2. Acelerar los estudios de ingeniería para la solución de los problemas que impiden el establecimiento a gran escala de la gasificación del bagazo, y de los ciclos combinados de generación y cogeneración.
3. Establecer los mecanismos para lograr la utilización de los RAC junto al bagazo, en la generación y cogeneración, lo que incrementará las capacidades actuales.
4. Para lograr la introducción adecuada de los RAC deberán estudiarse las distancias máximas de recolección de los mismos, que actualmente se establece para las condiciones cubanas en de 10 km del ingenio azucarero, aproximadamente; los tratamientos necesarios, así como el lugar de realización de los mismos para obtener las mejores relaciones costo/beneficio.
• Ciclo Rankine: (1 - (70 + 273) / (520 + 273)) * 100 = 56,7%η
• Ciclo combinado: (1 - (550 + 273) / (1100+273)) + η (80 / 100)*((550 + 273) / (1 100 + 273))*(1-(70 + 273) / (400 + 273)) = [0,40 + 0,23] = 0,63 = 63,0% η
Del análisis anterior se desprende que aún imponiéndole al ciclo Bryton del ciclo combinado, las pérdidas de calor del ciclo Rankine, que no son ciertas, éste siempre tendrá como mínimo 10% de eficiencia por encima del Rankine. Un análisis más preciso se hubiera realizado con las expresiones de eficiencia de cada ciclo, con sus características. Por lo general, las diferencias entre ambos son muchísimo mayores.
Conclusiones
1. Inobjetablemente, el bagazo de la caña de azúcar tendrá siempre un valor de uso mucho mayor como combustible directo, que como materia prima para la producción de etanol.
2. La tendencia futura es la de lograr establecer, de manera económica y a mayor escala, la tecnología de gasificación de los materiales lignocelulósicos en general, y del bagazo de caña en particular, con la que se lograrán eficiencias mucho mayores en la producción de electricidad a partir de biomasa.
3. Sería de gran utilidad, aún con el ciclo Rankine mejorado (altas presiones y temperaturas, entre otras mejoras), adicionar los residuos de la cosecha cañera (RAC) tratados mecánicamente y mezclados con el bagazo, para incrementar la capacidad de generación de electricidad, y las ventas a la red durante y fuera de zafra.
4. El rendimiento actual de la tecnología de obtención de etanol de biomasa a partir de hidrólisis, tanto ácida como enzimática (186 L de etanol/t de bagazo), así como los rendimientos máximos posibles que se vislumbran con esta tecnología (~ 300 L de etanol/t de bagazo), no superan en valor energético las posibilidades de generación de energía eléctrica y térmica, a partir de la combustión directa de este material, con las tecnologías de cogeneración actuales, y mucho menos con la utilización de los ciclos combinados.
5. La generación de energía eléctrica a partir de bagazo, puede servir, además, para la venta de créditos de carbono, por evitar la emisión de gases de efecto invernadero, con lo que se logra la reevaluación de su uso como combustible limpio.
6. La gasificación del bagazo y la utilización de los ciclos combinados de generación y cogeneración, unido al establecimiento a escala comercial de la utilización del gas de síntesis para la producción de etanol, podrían, dada la eficiencia de ambos, permitir compromisos de generación eléctrica y de obtención de etanol, con balances económicos adecuados.
7. Independientemente a la afirmación anterior, sólo se podría pensar en la utilización del bagazo para la producción de etanol, en países con disponibilidad de otros recursos energéticos para la generación y cogeneración de electricidad, y con grandes reservas de hidrocarburos, que necesiten de grandes cantidades de etanol para la oxigenación de sus gasolinas, o su uso como combustible líquido para cumplimentar el Tratado de Kyoto, o de otros que, sin adecuadas reservas de combustible, posean grandes parques automotores. No obstante, tendrían que ser insuficientes las posibilidades de obtención de este combustible por los métodos tradicionales. Este caso podría ser por ejemplo, el de Venezuela, EE.UU. y Brasil, aunque éste último requiere mayor potencialidad hacia la generación de electricidad, que hacia la producción de etanol [BNDES, 2008].
Recomendaciones
1. Realizar estudios de factibilidad técnico-económicos que ayuden a establecer adecuadamente los usos más racionales del bagazo en cada caso particular.
2. Acelerar los estudios de ingeniería para la solución de los problemas que impiden el establecimiento a gran escala de la gasificación del bagazo, y de los ciclos combinados de generación y cogeneración.
3. Establecer los mecanismos para lograr la utilización de los RAC junto al bagazo, en la generación y cogeneración, lo que incrementará las capacidades actuales.
4. Para lograr la introducción adecuada de los RAC deberán estudiarse las distancias máximas de recolección de los mismos, que actualmente se establece para las condiciones cubanas en de 10 km del ingenio azucarero, aproximadamente; los tratamientos necesarios, así como el lugar de realización de los mismos para obtener las mejores relaciones costo/beneficio.
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