1.fundamentos dpis
- 1. FQIQ-UNMSM FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZ Departamento Académico de Procesos Facultad de Química e Ingeniería Química Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima, Perú 2009
- 2. 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. Taller 7. Conclusiones: Hacia Procesos Sostenibles.
- 3. 1. DESARROLLO SOSTENIBLE Y SOSTENIBILIDAD
- 4. COMPONENTE AMBIENTAL Calidad de Materias vida y primas para derechos la producción humanos industrial y sumidero de residuos y desechos industriales DESARROLLO SOSTENIBLE COMPONENTE COMPONENTE SOCIO-CULTURAL ECONÓMICO Bienestar socio – cultural - económico (y equidad) Fuente: Mariana Loayza. 2007
- 5. Chuquicamata, Chile 2. ¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?
- 6. ¿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).
- 7. 3. FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN PROCESO SOSTENIBLE (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE)
- 8. ANTECEDENTES AÑO ACONTECIMIENTO 1980 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) Se establece la base conceptual de la Green Chemistry (Química 1991 Verde) Se realiza la Cumbre de Río de Janeiro (Agenda 21 y Centros de 1992 Producción más Limpia) Anastas y Warner dan a conocer los 12 Principios de la Green 1993 Chemistry. 1997 Benyus plantea la necesidad de considerar el Biomimetismo Se realiza el CHEMRAWN XIV - World Congress on Green Chemistry 2001 (IUPAC) 2002 Mc Donough y Braungard introducen el diseño de la cuna a la cuna
- 9. FUNDAMENTOS PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA INGENIERÍA VERDE VERDE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA BIOMIMETISMO CUNA ECOLOGÍA INDUSTRIAL
- 10. 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).
- 11. LA QUÍMICA VERDE Y LA SÍNTESIS IDEAL Reacción Utiliza simple materiales fácilmente Un sólo paso disponibles Ambiental- mente SÍNTESIS Cero residuos saludable IDEAL Operación Rendimiento segura del 100% Minimiza la cantidad de solventes
- 12. 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 Uso de procesos catalíticos homogéneos, heterogéneos y 9 microheterogéneos 10 Diseño para la degradación 11 Análisis de contaminantes en tiempo real 12 Minimización de riesgos de accidentes químicos
- 13. CASO: SÍNTESIS DE IBUPROFENO IBUPROFENO
- 14. 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.
- 15. LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE Fuente: Conferencia de Sandestin N° PRINCIPIO Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación de impacto ambiental, 1 integradas a la ingeniería de proceso y producto Conservar y mejorar los ecosistemas naturales a la vez que se protege la salud 2 humana y el bienestar de la población. 3 Aplicar el concepto del ciclo de vida. Asegurar, en la medida de lo posible , que la materia prima (y la energía), que entra 4 al sistema sea segura y no tóxica. 5 Minimizar el uso de los recursos naturales no renovables. 6 Prevenir la generación de residuos. Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería, teniendo en cuenta la situación 7 geográfica, los aspectos sociales y culturales de las comunidades situadas en el entorno. Buscar soluciones de ingeniería innovadoras, con la finalidad de alcanzar la 8 sostenibilidad. 9 Involucrar a la comunidad en el desarrollo de soluciones a problemas ambientales.
- 16. 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.
- 17. 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 Reconcepción del problema BENEFICIOS Reingeniería del sistema Optimización del sistema actual
- 18. 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.
- 19. ENCADENAMIENTO PRODUCTIVO PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES (PIE)
- 20. PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES • 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. Ver: ECOMUNDO N° 11, Agosto, 2007
- 21. 4. PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES CASOS
- 22. PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS NO RENOVABLES PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO CONCENTRADO
- 23. PROCESO INDUSTRIAL “SOSTENIBLE” PARA PRODUCIR ACIDO SULFÚRICO VAPOR DE SERVICIO VAPOR GENERACIÓN AIRE PARA SER USADO EN DIVERSAS AGUA ÁREAS DE LA PLANTA DE VAPOR SECO RECUPERACIÓN DEPURACIÓN DE OXIDACIÓN DE CALOR LOS GASES CATALÍTICA SO2, SO3 YACIMIENTO POLVO ABSORCIÓN PIRITAS GASES DE TOSTACIÓN AIRE H2SO4(c) SECO R3 ABSORCIÓN REDUCCIÓN DE EXTRACCIÓN CLASIFICACIÓN FLOTACIÓN TOSTACIÓN TAMAÑO H2SO4(c) ACIDO R1 HACIA LA COLAS R2 CALCINA OBTENCIÓN SULFÚRICO DE HIERRO (98,5 %) FUNDIDO A ALMACENAMIENTO PARA LUEGO OBTENER OTROS METALES Elaboración: Loayza Jorge, 2008
- 24. PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS RENOVABLES PRODUCCIÓN DE PULPA Y PAPEL A PARTIR DE RECURSOS FORESTALES
- 25. DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE BOSQUE NATURAL TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION R4 Especies AGUA AGUAS maderables RESIDUALES R1 R2 R3 LAVADO R5 EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO COMPUESTOS DE CLORO BLANQUEO R6 ENERGÍA ENERGÍA SECADO R7 PRODUCCIÓN “SUCIA” PULPA PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE) BLANQUEADA
- 26. PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE BOSQUE PLANTADO TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION R4 aR Especies AGUA AGUAS maderables RESIDUALES R1 R2 R3 aR aR aR LAVADO R5 EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO TOTALMENTE LIBRE DE CLORO (TLC) BLANQUEO R6 ENERGÍA ENERGÍA SECADO R7 aR PRODUCCIÓN “LIMPIA” PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE PULPA BLANQUEADA
- 27. Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay
- 28. ELABORACIÓN DE PAPEL AGUAS BLANCAS AGUA ADITIVOS AGUA PULPA REGULACIÓN DE MEZCLADO REFINACIÓN LAMINACIÓN BLANQUEADA CONSISTENCIA ENERGÍA SECADO energía AGENTE ACABADO PAPEL
- 29. 5. ¿QUIÉNES HACEN POSIBLE QUE LA OPERACIÓN DE UNA PLANTA INDUSTRIAL SEA SOSTENIBLE?
- 30. PROVEEDORES SERVICIOS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS MATERIAS MAQUINARIAS PRIMAS E Y EQUIPOS INSUMOS PLANTA INDUSTRIAL SERVICIOS DE INSTRUMENTOS (PROCESO TRATAMIENTO DE MEDICIÓN DE RESIDUOS Y CONTROL INDUSTRIAL SOSTENIBLE) SISTEMAS DE SERVICIOS DE DEPURACIÓN SEGURIDAD Y DE GASES, PREVENCIÓN DE AGUAS Y ACCIDENTES SUELOS SERVICIOS DE SISTEMAS DE GESTIÓN Taller
- 31. 6. TALLER FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES
- 32. CONTENIDO Ejercicio 1: Ejercicio 2: Ejercicio 3: Producción de Producción de Aprovechamiento ácido adípico ácido fosfórico integral del concentrado algodón
- 33. 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.
- 34. • 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). CUADRO N° 1 PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE IDENTIFICADOS EN LA PRODUCIÓN ACTUAL DE ÁCIDO ADÍPICO PRINCIPIO BREVE DESCRIPCIÓN
- 35. 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).
- 36. PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO H2SO4 H3PO4 DILUCIÓN H2O YACIMIENTO REDUCCIÓN PREPARACIÓN DE ROCA EXTRACCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN DE LA PULPA (A) FOSFÓRICA (A) DIGESTIÓN FILTRACIÓN SEDIMENTACIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (B) ÁCIDO ÁCIDO (B) FILTRACIÓN FOSFÓRICO H3PO4 EVAPORACIÓN FOSFÓRICO H3PO4 36% 50-80%
- 37. EJERCICIO 3: APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL ALGODÓN (EJERCICIO PROPUESTO)
- 38. 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).
- 39. CONSULTAS Y SUGERENCIAS jloayzap@unmsm.edu.pe jloayzap@revistavirtualpro.com jeloayzap@yahoo.es Boletín Electrónico Informativo Productos y Residuos Químicos www.unmsm.edu.pe/quimica/
- 40. ANEXO
- 41. TALLER: PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO H2SO4 H3PO4 (c ó d) DILUCIÓN H2O (a) YACIMIENTO REDUCCIÓN PREPARACIÓN DE ROCA EXTRACCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN DE LA PULPA (A) FOSFÓRICA R1 R2 (b) SOLVENTE (A) DIGESTIÓN FILTRACIÓN SEDIMENTACIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (B) H2O SOLVENTE YESO SUCIO SUCIO R3 IMPUREZAS RECUPERACIÓN SOLVENTE YESO LIMPIO LIMPIO LAVADO R4 DEL SOLVENTE (b) AGUA DE LAVADO (a) R5 IMPUREZAS R7 (c) (d) ÁCIDO ÁCIDO (B) FILTRACIÓN FOSFÓRICO H3PO4 EVAPORACIÓN FOSFÓRICO H3PO4 36% 50-80% R6 IMPUREZAS ELABORACIÓN: JORGE LOAYZA, 2009