Simulación de un horno de reverbero para fines de control y optimización

Abstract

Se desarrolla un modelo estacionario distribuido del proceso de un horno de reverbero utilizado para fundir salitre, que permita evaluar distintas situaciones y conocer mejor el funcionamiento. Las ecuaciones se obtienen aplicando las leyes de la Termodinámica y de Transferencia de calor a la situación particular de cada elemento del horno. Para ello, se divide éste en cámara de combustión y cámara de fusión, y esta última a su vez en una serie de elementos que permita reflejar las características distribuidas del proceso. Se formula las ecuaciones para cada uno de estos elementos y se resuelven mediante una aproximación que evita iterar; sin embargo, la solución del conjunto de ecuaciones requiere de la iteración de las variables de salida. Se diseña un algoritmo de iteración externo que permite obtener un punto de operación del modelo en un tiempo aproximado de 4 minutos. Se desarrolla, como extensión de las ecuaciones del modelo estacionario, uno distribuido, obtenido mediante las mismas expresiones de flujos de calor transmitidos, pero considerando la acumulación de energía en cada elemento interno. Los resultados del modelo estacionario se contrastan con algunas mediciones del proceso, pero estas últimas no son suficientes. Esto se debe a la falta de instrumentos con que cuentan actualmente los hornos, lo que por otro lado fue lo que en parte dio origen a este estudio. Se realiza un análisis cualitativo de resultados estacionarios obtenidos de evaluar el modelo para diversos valores de las entradas: flujo de petróleo, flujo de aire y humedad del salitre. De este análisis es importante realzar tres resultados: Una reducción de la humedad del salitre, para las mismas condiciones de aire y petróleo, se traduce en un aumento considerable del flujo de salitre fundido a la salida y en una elevación leve de la temperatura de los gases de escape. Existe una clara relación entre la temperatura del caldo a la salida del horno y la humedad del salitre cristalizado alimentado a este; de modo que un aumento de esta última produce un aumento de la temperatura del salitre fundido. El gradiente del ritmo de fundición de salitre en los taludes es muy pronunciado, al punto que la razón entre el del primer y último metro de la cámara de fusión es del orden de 30:1. Se presenta una recomendación de control de la eficiencia de la combustión, considerando la limitación que impone la máxima temperatura de trabajo de los ladrillos refractarios. Esta se basa en un controlador de razón aire-petróleo con ganancia remota regulada por la salida de un controlador de temperatura. Finalmente, se concluye sobre el trabajo y se realizan algunas recomendaciones especialmente para la contrastación y utilización de los resultados del modelo.