JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZDepartamento Académico de Procesos

Facultad de Química e Ingeniería QuímicaUniversidad Nacional Mayor de San Marcos

Lima, Perú2009

FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES

SOSTENIBLES

FQIQ-UNMSM

CONTENIDO

1. Desarrollo Sostenible y Sostenibilidad.2. ¿Qué es un proceso industrial? 3. Fundamentos para el diseño de un proceso

sostenible (proceso industrial sostenible). 4. Análisis de Casos.5. ¿Quiénes hacen posible que la operación

de una planta industrial sea sostenible?6. Taller7. Conclusiones: Hacia Procesos Sostenibles.

1. DESARROLLO SOSTENIBLE Y SOSTENIBILIDAD

DESARROLLO SOSTENIBLE

COMPONENTE SOCIO-CULTURAL

COMPONENTE ECONÓMICO

COMPONENTE AMBIENTAL

Fuente: Mariana Loayza. 2007Bienestar socio – cultural - económico (y equidad)

Materias primas para

la producción industrial y

sumidero de residuos y desechos

industriales

Calidad devida y

derechoshumanos

2. ¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?

Chuquicamata, Chile

¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?

1. Conjunto de etapas requeridas para que las materias primas e insumos se transformen en productos, subproductos y residuos.

2. Las etapas de un proceso industrial son actividades unitarias, donde se dan cambios físicos, trasformaciones químicas o ambos, de acuerdo a determinadas condiciones de operación: presión, temperatura y otras.

3. Existe un rendimiento, una conversión y una selectividad, dependiendo de la actividad unitaria.

4. Cada actividad unitaria requiere un equipo principal y equipos complementarios.

5. El proceso industrial es conceptual y se operativiza en una instalación industrial (planta).

3. FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN PROCESO SOSTENIBLE (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE)

ANTECEDENTES

AÑO ACONTECIMIENTO1980 Se introduce el concepto de Desarrollo Integral (Mario Bunge)

1987 Se publica el Informe Nuestro Futuro Común (Comisión Bruntland)

1990 Se publica el Acta Pollution Prevention PP (Estados Unidos)

1991Se establece la base conceptual de la Green Chemistry (Química Verde)

1992Se realiza la Cumbre de Río de Janeiro (Agenda 21 y Centros de Producción más Limpia)

1993Anastas y Warner dan a conocer los 12 Principios de la Green Chemistry.

1997 Benyus plantea la necesidad de considerar el Biomimetismo

2001Se realiza el CHEMRAWN XIV - World Congress on Green Chemistry (IUPAC)

2002 Mc Donough y Braungard introducen el diseño de la cuna a la cuna

PROCESOS

INDUSTRIALES

SOSTENIBLES

PRINCIPIOS

DE LA

INGENIERÍA

QUÍMICA

INGENIERÍA

VERDEQUÍMICA

VERDE

DISEÑO

INTEGRADO DE

LA CUNA A LA

CUNA

BIOMIMETISMO

ECOLOGÍA

INDUSTRIAL

FUNDAMENTOS

PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA PARA EL DISEÑO DE PROCESOS Y PLANTAS INDUSTRIALES

• Selección de etapas para transformar las materias primas e insumos en productos y subproductos, mediante el consumo racional de energía.

• Selección de equipos para favorecer la transferencia de masa y energía.

• Diseño de equipos para efectuar reacciones químicas con elevados rendimientos.

• Minimización de costos asociados a la producción, sin descuidar los costos ambientales (control de contaminantes, tratamiento de residuos y manejo de desechos).

LA QUÍMICA VERDE Y LA SÍNTESIS IDEAL

Utiliza materiales fácilmente disponibles

Reacción simple

Operaciónsegura

Rendimiento del 100%

Minimiza lacantidad de

solventes

Un sólo paso

Ceroresiduos

Ambiental-mente

saludable

SÍNTESISIDEAL

PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE

N PRINCIPIO

1 Prevenir la generación de residuos

2 Economía de los átomos

3 Síntesis químicas menos peligrosas (tóxicas)

4 Diseño de productos químicos seguros

5 Empleo de disolventes seguros

6 Disminución del consumo de energía

7 Empleo de materias primas provenientes de recursos renovables

8 Reducción de productos derivados

9Uso de procesos catalíticos homogéneos, heterogéneos y microheterogéneos

10 Diseño para la degradación

11 Análisis de contaminantes en tiempo real

12 Minimización de riesgos de accidentes químicos

CASO: SÍNTESIS DE IBUPROFENO

IBUPROFENO

SÍNTESIS DE IBUPROFENO

• Síntesis catalítica a partir del isobutilbenceno (Síntesis Verde). El nuevo proceso genera 23% de productos secundarios y residuos, mientras que el proceso convencional utilizaba la protección de grupos funcionales y generaba 60% de productos secundarios y residuos (BASF).

• El proceso convencional constaba de seis pasos y sólo el 40% de los átomos permanecían en el producto, el nuevo proceso consta de tres pasos (con reacciones catalíticas selectivas) y el 77% de los átomos reactivos permanecen en el ibuprofeno.

• Aquí se pueden identificar tres principios de la Química Verde (Green Chemistry, enunciados por Paul Anastas y John Warner en el año 1998): - Economía de los átomos.- Empleo de agentes catalíticos selectivos.- Reducción de productos derivados.

LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE

N° PRINCIPIO

1Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación de impacto ambiental, integradas a la ingeniería de proceso y producto

2Conservar y mejorar los ecosistemas naturales a la vez que se protege la salud humana y el bienestar de la población.

3 Aplicar el concepto del ciclo de vida.

4Asegurar, en la medida de lo posible , que la materia prima (y la energía), que entra al sistema sea segura y no tóxica.

5 Minimizar el uso de los recursos naturales no renovables.

6 Prevenir la generación de residuos.

7Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería, teniendo en cuenta la situación geográfica, los aspectos sociales y culturales de las comunidades situadas en el entorno.

8Buscar soluciones de ingeniería innovadoras, con la finalidad de alcanzar la sostenibilidad.

9 Involucrar a la comunidad en el desarrollo de soluciones a problemas ambientales.

Fuente: Conferencia de Sandestin

BIOMIMETISMO(Janine Benyus, 1997)

El biomimetismo se inspira en la naturaleza para poder tomar ideas y resolver problemas.

En la hoja de una planta, minúsculos reactores realizan la función fotosintética y la falla de uno o varios de estos reactores, no induce en ningún caso a la falla global del proceso. Por ello, se está buscando la intensificación de los procesos utilizando microrreactores.

DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA(Mc Donough y Braungard, 2002)

• Reconcepción de los sistemas y de sus problemas.

• La reconcepción es más beneficiosa que la reingeniería y esta a su vez de la simple optimización

BEN

EFIC

IOS

Reconcepción del problema

Reingeniería del sistema

Optimización del sistema actual

ECOLOGÍA INDUSTRIAL

En la naturaleza los “residuos” no existen como tales, ya que los desechos de unos individuos son los alimentos (y fuente de energía) de otros (cadenas tróficas).

Los procesos industriales deben encadenarse productivamente.

Se deben utilizar energías renovables, siempre que sea posible.

ENCADENAMIENTO PRODUCTIVO

PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES

(PIE)

• Un parque industrial ecoeficiente está constituido por un grupo de plantas industriales localizadas en una misma área geográfica.

• Estas (empresas) buscan mejorar sus desempeño económico y ambiental.

• El trabajo coordinado les permite obtener un beneficio colectivo mayor, que trabajando individualmente.

• Existen dos tipos: PIE que agrupa a empresas que realizan diferentes actividades productivas y PIE en que las empresas realizan la misma actividad.

PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES

Ver: ECOMUNDO N° 11, Agosto, 2007

4. PROCESOS INDUSTRIALESSOSTENIBLES

CASOS

PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS NO RENOVABLES

PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO CONCENTRADO

PROCESO INDUSTRIAL “SOSTENIBLE” PARA PRODUCIR ACIDO SULFÚRICO

REDUCCIÓN DE TAMAÑO

RECUPERACIÓN DE CALOR

CLASIFICACIÓN

DEPURACIÓN DE LOS GASES

OXIDACIÓN CATALÍTICA

ABSORCIÓN

GENERACIÓNDE VAPOR

ACIDOSULFÚRICO

(98,5 %)

PIRITAS

Elaboración: Loayza Jorge, 2008

FLOTACIÓN TOSTACIÓN

CALCINA

GASES DE TOSTACIÓN

R2

SO2,SO3

HACIA LA OBTENCIÓN DE HIERRO FUNDIDO

A ALMACENAMIENTO PARA LUEGO OBTENER

OTROS METALES

VAPOR DE SERVICIO PARA SER USADO EN DIVERSAS

ÁREAS DE LA PLANTAVAPOR AGUA

YACIMIENTO

EXTRACCIÓN

ABSORCIÓN

H2SO4(c)

H2SO4(c)

R1COLAS

AIRESECO

AIRESECO

R3

POLVO

PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS RENOVABLES

PRODUCCIÓN DE PULPA Y PAPELA PARTIR DE RECURSOS FORESTALES

BOSQUENATURAL TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION

LAVADO

BLANQUEO

PULPABLANQUEADA

COMPUESTOSAZUFRE

EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS

DE AZUFRE

AGUAS RESIDUALES

AGUA

COMPUESTOS DE CLORO

EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS

DE CLORO

SECADO

Especiesmaderables R1

ENERGÍA

ENERGÍA

DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE PULPABLANQUEADA

PRODUCCIÓN “SUCIA”PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE)

R2 R3

R4

R5

R6

R7

PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPABLANQUEADA

BOSQUEPLANTADO TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION

LAVADO

BLANQUEO

PULPABLANQUEADA

COMPUESTOSAZUFRE

EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS

DE AZUFRE

AGUAS RESIDUALES

AGUA

TOTALMENTE LIBRE DE CLORO

(TLC)

EMISIONES YEFLUENTES DE COMPUESTOS

DE CLORO

SECADO

Especiesmaderables R1

ENERGÍA

ENERGÍA

PRODUCCIÓN “LIMPIA”PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE

R2 R3

R4

R5

R6

R7

a R a R a R

a R

a R

Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay

ELABORACIÓN DE PAPEL

PULPABLANQUEADA

MEZCLADO REFINACIÓN REGULACIÓN DE CONSISTENCIA

LAMINACIÓN

SECADO

PAPEL

AGUA

AGUASBLANCAS

AGUA ADITIVOS

ACABADO

ENERGÍA energía

AGENTE

5. ¿QUIÉNES HACEN POSIBLE QUE LA OPERACIÓN DE UNA PLANTA

INDUSTRIAL SEA SOSTENIBLE?

MATERIASPRIMAS E INSUMOS

MAQUINARIAS Y EQUIPOS

INSTRUMENTOSDE MEDICIÓN

Y CONTROL

SISTEMAS DE DEPURACIÓN

DE GASES, AGUAS YSUELOS

SERVICIOS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS

SERVICIOS DE TRATAMIENTODE RESIDUOS

SERVICIOS DESISTEMAS DE

GESTIÓN

SERVICIOS DESEGURIDAD Y

PREVENCIÓN DE ACCIDENTES

PLANTA

INDUSTRIAL

(PROCESO

INDUSTRIAL

SOSTENIBLE)

PROVEEDORES

Taller

FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE

PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES

6. TALLER

CONTENIDO

Ejercicio 2:

Producción de ácido fosfórico concentrado

Ejercicio 3: Aprovechamiento integral del algodón

Ejercicio 1:

Producción de ácido adípico

• El proceso convencional para la producción de ácido adípico utiliza benceno (comprobado agente cancerígeno), obtenido del fraccionamiento del petróleo. El benceno se hidrogena catalíticamente a ciclohexano (empleando níquel como catalizador) y luego el ciclohexano se oxida en un solo paso para obtener el ácido adípico, utilizando O2 y un catalizador a base de cobalto o cobalto-hierro, según se muestra esquemáticamente.

EJERCICIO 1: PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ADÍPICO

CUADRO N° 1 PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE IDENTIFICADOS EN LA PRODUCIÓN ACTUAL DE ÁCIDO

ADÍPICO

• Actualmente se utiliza un proceso biotecnológico, que emplea bacterias genéticamente modificadas o biocatalizadores, a partir de glucosa, la cual se puede obtener a partir de caña de azúcar, almidón de maíz o celulosa. También se puede obtener a partir de bagazo (residuo agroindustrial).

PRINCIPIO BREVE DESCRIPCIÓN

EJERCICIO 2: PRODUCCIÓN DE ÁCIDO FOSFÓRICO CONCENTRADO

Para la producción del ácido fosfórico diluido a partir de la roca fosfórica, fluorapatita cálcica CaF2.3Ca3(PO4)2 o Ca5F(PO4)3, se utiliza el método húmedo que consiste en el tratamiento de la roca fosfórica enriquecida (con el tamaño de partícula adecuado), con una mezcla de ácido sulfúrico y agua o ácido sulfúrico, agua y ácido fosfórico. La digestión utilizando ácido sulfúrico, genera yeso que se separa del proceso y se comercializa para la producción de cemento. La corriente de ácido pasa por una serie de etapas de purificación para obtener un acido fosfórico diluido (36%), el cual puede ser evaporado para obtener ácido fosfórico, generalmente hasta el 80%.Reacciones:Método húmedo (I)

CaF2.3Ca3(PO4)2 + 10H2SO4 + 20H2O 6H3PO4 + 10(CaSO4.2H2O) + 2 HF

Método húmedo (II)

Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 10H2O + nH3PO4 (n+3)H3PO4 +5(CaSO4.2H2O) + HF

Completar el diagrama de bloques presentado, utilizando el método húmedo (II).

YACIMIENTODE ROCA

FOSFÓRICA

EXTRACCIÓNREDUCCIÓN DE TAMAÑO

CLASIFICACIÓNPREPARACIÓN DE LA PULPA (A)

(A) DIGESTIÓN FILTRACIÓN SEDIMENTACIÓNEXTRACCIÓN

POR SOLVENTES(B)

(B) FILTRACIÓN EVAPORACIÓN

ÁCIDOFOSFÓRICO

H3PO4

50-80%

PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO

H3PO4H2SO4

H2O

ÁCIDOFOSFÓRICO

H3PO4

36%

DILUCIÓN

EJERCICIO 3: APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL

ALGODÓN(EJERCICIO PROPUESTO)

7. CONCLUSIONES: HACIA PROCESOS SOSTENIBLES

1. Los nuevos procesos industriales deben diseñarse tomando en cuenta los principios de la ingeniería química, la química verde, la ingeniería verde, el diseño integrado de la cuna a la cuna, el biomimetismo y la ecología industrial, entre otros.

2. Los procesos existentes deben hacerse sostenibles mediante el uso racional de los recursos naturales, potenciando el uso de catalizadores, sustituyendo o minimizando los componentes peligrosos, generando una menor cantidad de residuos y en caso de producirlos aprovecharlos, es decir transformarlos en subproductos.

3. Los procesos sostenibles debe ser seguros, tanto para los que trabajan en las plantas industriales como para la comunidad.

4. Los procesos industriales deben contribuir al logro del desarrollo sostenible, que es un nuevo modelo de desarrollo que busca la sostenibilidad (equilibrio de los componentes económicos, sociales y ambientales).

CONSULTAS Y SUGERENCIAS

jloayzap@unmsm.edu.pejloayzap@revistavirtualpro.com

jeloayzap@yahoo.es

Boletín Electrónico Informativo Productosy Residuos Químicos

www.unmsm.edu.pe/quimica/

ANEXO

YACIMIENTODE ROCA

FOSFÓRICA

EXTRACCIÓNREDUCCIÓN DE TAMAÑO

CLASIFICACIÓNPREPARACIÓN DE LA PULPA (A)

(A) DIGESTIÓN FILTRACIÓN SEDIMENTACIÓNEXTRACCIÓN

POR SOLVENTES(B)

(B) FILTRACIÓN EVAPORACIÓN

ÁCIDOFOSFÓRICO

H3PO4

50-80%

H3PO4H2SO4

H2O

YESO SUCIO

ÁCIDOFOSFÓRICO

H3PO4

36%

SOLVENTELIMPIO

(b)

SOLVENTE

(d)

(c ó d)

LAVADO

AGUA DE LAVADO

(a)

(a)

ELABORACIÓN: JORGE LOAYZA, 2009

(c)

RECUPERACIÓNDEL SOLVENTE

SOLVENTESUCIO

(b)

YESOLIMPIO

DILUCIÓN

IMPUREZAS

H2O

R1

R2

R3

R6

R5 IMPUREZAS

R7

R4IMPUREZAS

TALLER: PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO