1.fundamentos dpis
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JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZ Departamento 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 ACONTECIMIENTO
1980Se introduce el concepto de Desarrollo Integral (Mario Bunge)
1987Se publica el Informe Nuestro Futuro Común (Comisión Bruntland)
1990Se 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.
1997Benyus plantea la necesidad de considerar el Biomimetismo
2001Se realiza el CHEMRAWN XIV - World Congress on Green Chemistry (IUPAC)
2002Mc Donough y Braungard introducen el diseño de la cuna
a la cuna
PROCESOS INDUSTRIALESSOSTENIBLES
PRINCIPIOS DE LA
INGENIERÍAQUÍMICA
INGENIERÍAVERDE
QUÍMICAVERDE
DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA
CUNA
BIOMIMETISMO
ECOLOGÍAINDUSTRIAL
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 desolventes
Un sólo paso
Ceroresiduos
Ambiental-mente
saludable
SÍNTESIS IDEAL
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
7Empleo 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.
9Involucrar 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 optimizaciónB
EN
EFI
CIO
S
INVERSIÓN
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
GENERACIÓN DE VAPOR
ACIDO SULFÚRICO
(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 PULPA
BLANQUEADA
PRODUCCIÓN “SUCIA”PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE)
R2 R3
R4
R5
R6
R7
PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA
BLANQUEADA
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
PULPA BLANQUEADA
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?
MATERIAS PRIMAS E INSUMOS
MAQUINARIAS Y EQUIPOS
INSTRUMENTOSDE MEDICIÓN
Y CONTROL
SISTEMAS DE DEPURACIÓN
DE GASES, AGUAS Y SUELOS
SERVICIOS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS
SERVICIOS DE TRATAMIENTODE RESIDUOS
SERVICIOS DE SISTEMAS DE
GESTIÓN
SERVICIOS DE SEGURIDAD Y
PREVENCIÓN DE ACCIDENTES
PLANTAINDUSTRIAL(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
FOSFÓRICAEXTRACCIÓN
REDUCCIÓN 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
[email protected]@revistavirtualpro.com
Boletín Electrónico Informativo Productos y Residuos Químicos
www.unmsm.edu.pe/quimica/
ANEXO
YACIMIENTODE ROCA
FOSFÓRICAEXTRACCIÓN
REDUCCIÓN 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