Diseño conceptual de procesos químicos. Metodología con aplicaciones en esterificación

Paulo César Narváez Rincón

• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Año: 2014
• ISBN:
  9789587617191
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería general

Diseño conceptual de procesos químicos. Metodología con aplicaciones en esterificación corresponde a las notas de clase de la asignatura Diseño de Procesos Químicos y Bioquímicos del programa de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. El libro aborda la etapa inicial del diseño de procesos de transformación química, previa al desarrollo del proceso, reconociendo el producto como la fuerza impulsora fundamental y los principios y conceptos de la ingeniería verde como guía para la toma de decisiones por parte de los diseñadores. Los ejemplos de aplicación de esta metodología se desarrollan alrededor de los procesos de esterificación, debido a su importancia industrial, al número de productos que pueden obtenerse por este tipo de transformaciones y a la diversidad de propiedades que hace que los ésteres sean empleados en aplicaciones tan diversas como la producción de solventes, polímeros, adhesivos, pinturas y recubrimientos, plastificantes, alimentos, sabores y fragancias, etc. La metodología propuesta puede aplicarse a cualquier tipo de producto o proceso químico.

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DISEÑO EN INGENIERÍA QUÍMICA

Diseñar procesos industriales, los equipos y las plantas en los que estos se realizan, constituyen algunas de las actividades fundamentales del ingeniero químico. En ellas puede aplicar e integrar los conceptos propios de la profesión, de tal forma que diseñar es, tal vez, una de las actividades más gratificantes y satisfactorias para cualquier ingeniero [1].

Con el fin de establecer el sector económico al que se dirigen los diseños, los compromisos del diseñador de procesos y las perspectivas de su actividad profesional, este capítulo presenta el marco de referencia en el que el ingeniero químico (diseñador) ejerce su función. En primera instancia se define la industria química, se establecen el papel y las responsabilidades del ingeniero químico, y las tendencias de la profesión. A continuación, se definen producto químico y proceso de transformación química, y se describen los ciclos de vida de cada uno de ellos. Finalmente, se presentan las etapas de los ciclos que implican la actividad de diseñar, ubicando dentro de ellas el diseño conceptual o síntesis de procesos, objetivo principal de este libro.

1.1 LA INDUSTRIA QUÍMICA

La industria química transforma materias primas y energía en productos con nuevas propiedades y por lo tanto, con aplicaciones diferentes y, generalmente, más importantes que las de sus materias primas. De acuerdo con la Clasificación Industrial Internacional Uniforme (CIIU), las transformaciones físicas y químicas de materiales y sustancias en nuevos productos corresponden a las industrias de manufactura{4} [2]. La tabla 1.1 presenta las industrias de manufactura que pueden considerarse como industrias químicas.

La recuperación de desechos se clasifica en el sector Suministro de agua; evacuación de aguas residuales, gestión de desechos y descontaminación, porque la finalidad principal es el tratamiento o procesamiento de los desechos y no la producción de un nuevo producto [2], aunque evidentemente corresponde a una industria química ya que involucra transformaciones físicas, químicas y biológicas. Dentro de la división Fabricación de sustancias y productos químicos se identifican dos tipos de industrias: las que producen sustancias químicas básicas y las que hacen uso de estas para la producción de sustancias intermedias y finales. En las tablas 1.2 y 1.3 se incluyen algunos ejemplos de industrias pertenecientes a estos dos tipos. A pesar de que ellas presentan solo algunos de los procesos de la división 20 de la CIIU, muestran claramente la diversidad de productos y procesos relacionados con la industria química.

La tabla 1.4 presenta las veinte principales industrias químicas a nivel mundial, de acuerdo con el valor de las ventas en 2012, incluyendo el número de empleados y el enlace a su sitio en la Internet. Las ventas del grupo de las 100 primeras industrias químicas del mundo sumaron alrededor de U$ 3.5 billones, con los márgenes de ganancia bajo presión debido a los altos costos del petróleo y sus derivados [3].

El sector de servicios sigue siendo, como en 1970, el dominante en la economía mundial. Aportó 63% del valor agregado{5} mundial en 2008, mientras que en ese año las industrias de manufactura aportaron alrededor de 18%, la agricultura 4% y la construcción 6% [5]. Las industrias de manufactura según la tabla 1.1, contribuyeron con cerca de 28% del valor agregado [5].

www.basf.com

www.sinopec.com

www.exxonmobil.com

www.dow.com

www.sabic.com

www.shell.com

www.lyondellbasell.com

www.dupont.com

www.m-kagaku.co.jp/index_en.htm

www.ineos.com

www.bayer.com

www.total.com

www.lgchem.com

www.sumitomocorp.co.jp/english/

www.akzonobel.com

www.airliquide.com

www.linde.com

www.pttgcgroup.com

www.corporate.evonik.com

www.braskem.com.br

La figura 1.1 presenta el aporte al valor agregado de la Industria manufacturera y de las divisiones Elaboración de alimentos y bebidas y Fabricación de sustancias y productos químicos. Se observa que para Colombia y el mundo, desde 1990, el aporte de la industria manufacturera al valor agregado ha sido aproximadamente constante, mientras que para Estados Unidos disminuyó, pasando de 35% en 1969 a 20% en 2010, muy probablemente como consecuencia del desplazamiento de la producción a países que ofrecen mano de obra más barata.

El sector de fabricación de sustancias y productos químicos aportó alrededor de 11% del valor agregado mundial durante el periodo 1990-2008, y si se exceptúa el año 2008, tuvo un incremento de 20%. Los sectores Elaboración de alimentos y bebidas aportaron en promedio 23% del valor agregado mundial en el mismo periodo. En Colombia el aporte promedio de estos sectores en el mismo periodo fue 16% y 30%, respectivamente, y en Estados Unidos 13%, en los dos casos. Aunque la tendencia de la división Fabricación de productos químicos es creciente en el mundo y en Estados Unidos, en Colombia es decreciente, en especial a partir de 1999. En el periodo 1999-2005, el aporte al valor agregado de esta división se redujo 22%.

La tabla 1.5 presenta las primeras diez empresas colombianas relacionadas con la industria química, de acuerdo con las ventas en 2011. La mayoría de ellas pertenece a los sectores petróleo, gas, combustibles y cementos, que no hacen parte de los procesos de transformación química y productos que incluyen las tablas 1.2 y 1.3, aunque hacen parte de las industrias manufactureras relacionadas con la industria química de la tabla 1.1.

www.ecopetrol.com.co

www.terpel.com

www.pacificrubiales.com

http://www.argos.co/site/Default.aspx

www.mobil.com.co

www.bavaria.com.co

www.nutresa.com

www.chevron.com/countries/colombia/

http://www.argos.co/site/Default.aspx

www.biomaxcolombia.com/o

1.2 EL INGENIERO QUÍMICO Y SUS RESPONSABILIDADES

El ingeniero químico{6} desarrolla, diseña y opera procesos e instalaciones en las que materias primas y energía se transforman en productos, sin restricciones de escala; su responsabilidad consiste en [10]:

• Generar productos útiles que cumplan con las especificaciones de los clientes.
• Mantener condiciones seguras para el personal y los residentes de la vecindad de una instalación de producción.
• Proteger el medio ambiente y la salud humana, no solo en la producción, sino en todo el ciclo de vida del producto, que incluye transporte, uso, reciclaje y disposición.

En estas tres responsabilidades puede distinguirse un nivel de compromiso creciente: desde el básico y de menor impacto -en términos de la población que puede verse afectada por los resultados del trabajo del ingeniero químico- la obligación de entregar productos (procesos, plantas o sustancias químicas) que cumplan con especificaciones; hasta el más exigente, como es asegurar la sostenibilidad{7} de sus procesos, plantas y productos, que compromete el impacto de la actividad económica sobre la humanidad. Al hacer uso de los recursos naturales para generar productos, la ingeniería química desempeña un papel fundamental en los cuatro grandes problemas de la sociedad actual y futura: los suministros de agua, energía y alimentos, y la atención adecuada de la salud [11].

1.3 DESASTRES EN LA INDUSTRIA QUÍMICA

Teniendo en cuenta el peligro asociado a las sustancias químicas y a las plantas de proceso y para ilustrar cómo la industria química puede impactar negativamente a la sociedad, la tabla 1.6 presenta algunos de los desastres químicos que tuvieron mayores consecuencias negativas en términos de muertes y deterioro de la salud de la población afectada y del medio ambiente.

A continuación se describen con más detalle tres de ellos, los ocurridos en las ciudades de Bhopal, Seveso y Jilin, que constituyen casos representativos de las consecuencias negativas antes mencionadas.

1.3.1 BHOPAL

En la noche del 2 de diciembre de 1984 ocurrió el que ha sido catalogado como el peor desastre de la industria química. La planta de producción del pesticida Sevin , propiedad de la multinacional norteamericana Union Carbide, emitió 42 toneladas de isocianato de metilo (MIC) en fase vapor sobre Bhopal, capital del estado Madhya Pradesh en la India. Nadie sabrá con exactitud cuántas personas murieron durante y como consecuencia de esta catástrofe, ni cuántas resultaron heridas y con secuelas permanentes [13]. Aunque la cifra oficial de muertos es 1,754, fijada arbitrariamente por las autoridades para limitar las indemnizaciones, algunas fuentes señalan que los muertos, dieciséis años después de la tragedia, pueden estar entre 16,000 y 30,000, mientras que 521,262 personas padecieron los efectos de los vapores de MIC [13]. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) reporta más de 2,000 muertos y efectos adversos sobre la salud de 170,000 sobrevivientes [24].

Las causas de este accidente fueron muchas. En general, todas las sustancias químicas tienen un nivel de peligro, que en el caso del MIC es extremo. Es una sustancia altamente inflamable, que polimeriza en presencia de agua o catalizadores como ácidos, bases, cobre, hierro y estaño, entre otros, liberando calor. Como en el caso de Bhopal, las reacciones exotérmicas de este compuesto pueden causar la ruptura de los contenedores en los que se almacena, lo que teniendo en cuenta que una concentración superior a 2 ppm es tóxica para los humanos, la hace muy peligrosa{8}. La mayoría de las muertes en Bhopal fueron consecuencia de edema pulmonar y de las infecciones pulmonares secundarias [13]. Mientras que la Union Carbide afirma que la liberación de vapores fue consecuencia de un acto de sabotaje perpetrado por uno de los operarios que introdujo deliber...

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