El aumento de las tasas de reciclado también es un reto para los procesos mecánicos: Las plantas están alcanzando sus límites de capacidad

Cómo las megatendencias mundiales están cambiando la ingeniería de procesos mecánicos y la están volviendo moderna

Armin Scheuermann, ingeniero químico y periodista especializado autónomo30/10/2023

¿Qué tienen en común la economía circular, la producción de baterías y las proteínas vegetales? Desafían la creatividad de los ingenieros de procesos y siguen las megatendencias mundiales de la escasez de recursos, la movilidad, la nutrición y la protección del clima. Mientras que en la década pasada la atención se centró en los nuevos procesos químicos y las tecnologías digitales, ahora es el turno de la ingeniería de procesos mecánicos.

El futuro pertenece a la electrificación de la economía y la movilidad. Y las tecnologías de almacenamiento desempeñarán un papel decisivo en ello. Pero si se pregunta a los expertos dónde cabe esperar el mayor potencial de innovación en tecnología de baterías, la respuesta sorprenderá a la mayoría: No en la química y los nuevos materiales, sino en la tecnología de producción. Mientras que, por ejemplo, en el lado de los materiales se vislumbra un óptimo tecnológico para las baterías de iones de litio, la producción de pilas y baterías dista mucho de estar madura. Por ejemplo, la densidad energética, la vida útil y el rendimiento de las celdas de batería en general, y especialmente a bajas temperaturas, dependen crucialmente de la precisión del tamaño y la forma de las partículas. Y aunque China es actualmente el líder indiscutible del mercado de producción de baterías para coches eléctricos, esto podría cambiar en los próximos años si nuevos actores de EE.UU. y Europa construyen en gran número nuevas fábricas de baterías con la tecnología más avanzada.

Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización, IPA, están convencidos de que la clave está en el proceso de producción. Los procesos mecánicos son un factor importante: Permiten la producción y el procesamiento de nanomateriales y la fabricación precisa de electrodos. La complejidad de la cadena de valor de las pilas comienza ya con la extracción de materias primas a través de la minería o la extracción química, pero el proceso se vuelve realmente complicado cuando se trata de procesar los materiales: éstos no sólo tienen que producirse con una alta calidad constante (“grado de batería”), sino también en grandes cantidades. Y como los materiales activos de las pilas son tóxicos, los procesos de producción también deben ser herméticos (contención).

Los fabricantes de mezcladores, dispersores y reactores se han puesto manos a la obra. Un ejemplo es el perfeccionamiento de los reactores tubulares para la síntesis de polvos: en el reactor tubular de Glatt Ingenieurtechnik, por ejemplo, un flujo de gas caliente pulsante garantiza unas condiciones de flujo turbulento y permite ajustar el tamaño, la superficie y la estructura de las partículas de forma precisa y reproducible. Pero no sólo en la tecnología de reacción la distribución de la temperatura tiene una gran influencia en la calidad del producto. Dado que los materiales de ánodos y cátodos suelen producirse en procesos de alta temperatura, también son importantes la calefacción, el control del flujo y el aislamiento de las máquinas de producción.

Otro paso del proceso de producción de pilas es el recubrimiento de la lámina portadora.

Los procesos continuos requieren una nueva tecnología de maquinaria

Los procesos continuos son cada vez más interesantes: A diferencia de la producción por lotes clásica, la productividad aumenta con los procesos continuos porque se eliminan los tiempos de parada y de limpieza. Además, los procesos continuos permiten controlar mejor el proceso de producción, pueden diseñarse para que se cierren herméticamente con mayor facilidad y consiguen una mayor calidad del producto. Esto es especialmente importante cuando el producto es sensible a la contaminación o hay que evitar la contaminación por gérmenes. Además, los procesos continuos son más fáciles de ampliar y ofrecen una mayor eficiencia energética y económica.

Pero para conseguir procesos continuos, hay que adaptar o desarrollar procesos mecánicos: Ya se trate de molinos, mezcladoras, secadoras o centrifugadoras, el diseño de máquinas para procesos continuos sigue otras leyes. El replanteamiento con el objetivo de “continuo” ya está dando lugar a nuevos diseños. Un ejemplo son los separadores de tobera desarrollados recientemente por Flottweg, que se utilizan para la separación continua de sólidos de líquidos, por ejemplo en biotecnología. A diferencia de las centrifugadoras clásicas, la máquina utiliza un tambor comparativamente ligero, por lo que requiere mucha menos energía de accionamiento.

Otro ejemplo son las extrusoras de funcionamiento continuo utilizadas en el reciclado de plásticos. Por ejemplo, las extrusoras de doble husillo de Coperion garantizan una entrada de energía altamente eficiente en la masa fundida de plástico durante el reciclado térmico del plástico polimetacrilato de metilo (PMMA), lo que resulta en una despolimerización rápida y energéticamente eficiente.

Economía circular: potencial del reciclado químico y mecánico

El desarrollo de la máquina arroja luz sobre el creciente mercado de futuro de la economía circular: la producción de plásticos sobre la base del reciclado químico es una opción de futuro en ella. Sin embargo, la descomposición de los polímeros en sus componentes químicos es sólo el último paso. Teniendo en cuenta el balance energético, el reciclado mecánico es mucho más sensato, pero hasta ahora ha fracasado a menudo porque los residuos plásticos no suelen clasificarse por tipos. Las tecnologías digitales deberían ayudar aquí en el futuro. La inteligencia artificial y el aprendizaje automático pueden evaluar los datos de las cámaras y sensores de las máquinas de clasificación y separar los residuos plásticos en diferentes fracciones, también con la ayuda de robots.

El aumento de las tasas de reciclado también es un reto para los procesos mecánicos: Las plantas están alcanzando sus límites de capacidad. Como las mezcladoras mecánicas, por ejemplo, tienen un tamaño limitado y las fuerzas mecánicas también aumentan con las cantidades, se producen fluctuaciones de calidad en el reciclado de PET al mezclar escamas de PET. Los silos mezcladores, en los que el material a granel se extrae simultáneamente desde diferentes alturas, son una solución de Zeppelin Systems con la que se pueden mezclar suavemente grandes cantidades. Los rendimientos significativamente mayores requieren también otros conceptos de transporte.

Llegados a este punto, como muy tarde, queda claro que los procesos mecánicos no suelen poder planificarse completamente en el tablero de dibujo digital a pesar de los modernos métodos de diseño, como la dinámica de fluidos computacional (CFD), la modelización o las simulaciones. Por ello, los fabricantes de plantas y máquinas invierten cada vez más en sus propios laboratorios e instalaciones de ensayo con el fin de encontrar el mejor proceso para una aplicación de sólidos a granel. Las nuevas soluciones se desarrollan en estrecha colaboración entre los proveedores de máquinas y plantas y los usuarios. Esto es tanto más importante cuanto que, como demuestra el ejemplo de los gigafabricados de baterías, los métodos y procesos que aún no se han desarrollado plenamente se están ampliando cada vez más a escala industrial en plantas “pioneras”.

La alimentación sostenible requiere nuevos procesos

El hecho de que los esfuerzos conjuntos de desarrollo sean cada vez más importantes también se aplica a la industria alimentaria, que también está experimentando un proceso de transformación. La conservación de los recursos y la sostenibilidad son las megatendencias que impulsan la necesidad de nuevos procesos. Esto se pone de manifiesto, por ejemplo, en la tendencia hacia las alternativas a la carne, las proteínas vegetales y los sustitutos de la leche. En las próximas décadas, estos productos serán cada vez más importantes, ya que la producción clásica de proteínas animales está llegando a su límite debido al crecimiento de la población mundial y a los cambios en los hábitos alimentarios. También aquí los procesos mecánicos desempeñan un papel central: desde la molienda y el tamizado hasta la texturización de los sustitutos de la carne por extrusora, pasando por la centrifugación, la filtración y el secado. Aquí también se crean innovaciones gracias a la cooperación interdisciplinar entre tecnólogos de los alimentos, ingenieros mecánicos e ingenieros de procesos.

No funcionará sin automatización y digitalización

Aunque parece indiscutible que la IA o el aprendizaje automático desempeñarán un papel importante en la industria de procesos en el futuro, son solo una manifestación de las tecnologías digitales que pueden aportar beneficios en la ingeniería de procesos mecánicos en el futuro. Dos tendencias importantes son el creciente grado de automatización y la necesidad de plantas modulares. La idea básica: las plantas construidas a partir de unidades de proceso básicas individuales o módulos permiten no sólo simplificar la ingeniería, sino también ampliar de forma flexible la capacidad de la planta. Además, los procesos pueden optimizarse continuamente evaluando la información del proceso y de los sensores.

Dado que la interconexión (orquestación) de tales módulos en el enfoque clásico de la automatización de procesos genera un elevado esfuerzo de ingeniería y programación, es necesario un cambio de paradigma. Esto es lo que está ocurriendo actualmente con la automatización de módulos. El objetivo: en el futuro, las operaciones básicas de los procesos y los módulos deben poder combinarse entre sí fácilmente y sin grandes esfuerzos de programación. Dado que los módulos ya traen consigo su lógica de control en forma de paquete de tipos de módulos (MTP) y disponen de una interfaz estandarizada, las funciones del módulo pueden ser utilizadas por el sistema de control central como un servicio, y sin ningún esfuerzo adicional para la programación del control en el sistema de control. Este es un reto para los fabricantes de máquinas e instalaciones de la ingeniería de procesos mecánicos: en el futuro tendrán que ocuparse intensamente de cuestiones de digitalización, automatización y tecnología de control. Pero cada vez más operadores de instalaciones y fabricantes de máquinas están convencidos de las ventajas, porque una modularización consecuente compensa ante la escasez de trabajadores cualificados. Los primeros proveedores, entre ellos el fabricante de instalaciones GEA, ya están haciendo frente a este reto y ofrecen nuevas unidades de paquetes con MTP.

Conclusiones: Ya se trate de tecnología de baterías, economía circular o nutrición sostenible, los retos técnicos son enormes. Los procesos mecánicos combinados con las tecnologías digitales desempeñan un papel decisivo y son una clave fundamental para la sostenibilidad. Preguntas apasionantes, tareas significativas y configuración activa de un futuro sostenible: no faltan factores de frescura en la ingeniería de procesos mecánicos.

Acerca de Achema

Achema es el foro mundial de la ingeniería ingeniería química, ingeniería de procesos y biotecnología. La feria líder mundial para la industria de procesos se celebra cada tres años en Frankfurt. En de laboratorio, bombas y aparatos analíticos, maquinaria de envasado, calderas y maquinaria de envasado, calderas y agitadores, tecnología de seguridad, materiales y software. y software, cubriendo así todas las necesidades de las industrias química, farmacéutica y alimentaria. farmacéutica y alimentaria. El congreso, que incluye conferencias científicas conferencias científicas y numerosos actos con invitados y socios. exposición. La próxima edición de ACHEMA tendrá lugar del 10 al 14 de junio de 2024 en Fráncfort del Meno. Main. www.achema.de/en