química inorgánica industrial - t1 - introducción

QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL Y CERÁMICA TEMA 1 INTRODUCCIÓN

QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL

Química Inorgánica Industrial (3 créditos) Dr. Sergio Tatay Aguilar

•  Instituto de Ciencia Molecular (Despacho 2.9.2) Segundo piso, segundo pasillo de la izquierda En la puerta: Francisco Romero

•  [email protected] •  http://www.uv.es/taser/ •  Tel. +34 96 354 44 05

Cerámica (3 créditos) Prof. Javier Alarcón

•  Edifición de Investigación (Despacho ) •  [email protected] •  Tel. +34 96 354 45 84

ESTRUCTURA DE LA ASIGNATURA

2


Tema 1: Introducción

Tema 2: El agua y sus compuestos

Tema 3: El nitrógeno

Tema 4: El fósforo

Tema 5: El azufre

Tema 6: Los halógenos

Tema 7: El carbono

Tema 8: El óxido de titanio

Tema 9: El silicio

TEMARIO

3


Clases Clases expositivas (22.5 h) Tutorías presenciales (7.5 h)

Evaluación Trabajo previo / trabajo en tutorías (2 puntos) Examen (8 puntos) Otros (1 punto)

EVALUACIÓN

4

QUÍMICA INDUSTRIAL

Institute for Prospective Technological Studies Reference Documents

http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/

Industrial Inorganic Chemistry Büchel, Moretto y Woditsch. 2000, Wiley-VCH

An Introduction to Industrial Chemistry Alan Heaton, Ed. 1996, Blackie Academic

Shreve’s Chemical Process Industries Austin. 1977, McGraw Hill

Riegels Handbook of Industrial Chemistry Riegel, Kent, Kent. 1993, Sptinger

Otros Wikipedia (ES, FR, EN, IT)

BIBLIOGRAFÍA

5

TEMA I

Conceptos básicos

PARTE I Perspectiva histórica

PARTE II Productos químicos: Clasificación Aspectos económicos Productos químicos más importantes Materias primas

PARTE III Procesos industriales Batch y continuo Del laboratorio a la industria

PARTE IV Ecología y sostenibilidad

ÍNDICE

6


Química Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica

DEFINICIONES

7


Química Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica

Inorgánica Antiguamente:

Vitalismo → Compuestos orgánicos e inorgánico Actualmente: Orgánico

Moléculas que contienen enlaces C-C Moléculas con elevada proporción H:C

Industrial Conjunto de operaciones materiales ejecutadas para la obtención, transformación y distribución de uno o varios productos

DEFINICIONES

Wöhler

Kolbe

8

PARTE I

PERSPECTIVA HISTÓRICA

9

QUÍMICA INDUSTRIAL

Revolución Industrial (S XIX, UK) Mecanización

•  Herramientas •  Máquina de vapor •  Metalurgia

Comercio a gran escala •  Mejora de las comunicaciones

y los medios de transporte •  Aparición del ferrocarril y barco

de vapor. Cambio social

•  Urbanización (Ciudad y factoría) •  Nuevas clases sociales •  Número de personas


10

QUÍMICA INDUSTRIAL PERSPECTIVA HISTÓRICA

11

SS Great Eastern (Brunel 1858 )

Salamanca (Murray 1812)

Menay Suspension Bridge (Telford, 1826)

Spinning Jenny (Hargreaves, 1764) Máquina de Vapor

(Watt, 1774)

QUÍMICA INDUSTRIAL

<1750: Fundamentalmente ácidos y bases

1746: H2SO4 en camara de plomo (Roebuck)

1770s: Gas lighting (Murdock)


12

QUÍMICA INDUSTRIAL

1791: Na2CO3 por el método LeBlanc

1799: “Bleaching powder” (Tennant)


13

QUÍMICA INDUSTRIAL

1845: Cemento Portland (Johnson)

1855: Destilación fraccionaria (Silliman)


14

QUÍMICA INDUSTRIAL

1855 Proceso Bessemer (Bessemer)

1856: Síntesis de la mauveina (Perkin)


Mauveina A 15

QUÍMICA INDUSTRIAL

1864: Na2CO3 por el método Solvay

1897: Síntesis industrial del indigo (BASF, Baeyer)


Indigofera tinctoria

16

QUÍMICA INDUSTRIAL

1912: Proceso Haber-Bosch

1935: Sínthesis del Nylon (DuPont, Carothers)


17

QUÍMICA INDUSTRIAL

Síntesis de productos que existen en la naturaleza, pero que se pueden producir en el laboratorio en mayor cantidad o más baratos

Síntesis de Na2CO3 por el método LeBlanc Síntesis del índigo

Creación de nuevos productos que no existían antes Síntesis de la mauveina Síntesis de productos farmacéuticos

Aprovechamiento de materiales secundarios o sin interés Petróleo

Sustituimos el método anterior por otro que usa materiales más baratos y produce productos secundarios de mayor valor.

Método Solvay

TIPOS DE AVANCES

18

PARTE II

PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS

INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS GLOBALES

20

INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS POR REGIÓN

21

INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS EN LA EU POR AÑO

22

INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS POR PAÍS

23

INDUSTRIA QUÍMICA 10 COMPAÑÍAS LIDERES

Chem. Eng. News 28,92 (2014) 10

d) Sales include a significant amount of nonchemical products

EUROPA: 4 AMERICA: 3 ASIA: 2 O. MEDIO: 1

24

INDUSTRIA QUÍMICA 10 COMPAÑÍAS LÍDERES

Chem. Eng. News 28,92 (2014) 10

1.Europa $380.000m

4. Oriente Medio $42.000m

3. América $234.000m

2. Asia $287.000m

5. África $10.000m

Chemical Sales of Global Top 50 Companies by Region

25

PRODUCTOS QUÍMICOS

En función del uso Uso final: fertilizante, detergente, plásticos, textil... Función de uso: antioxidante, catalizadores, lubricante...

En función de las materias primas Orgánica, inorgánica

En función del volumen de producción (y el precio) •  Commodity/Base: A partir de recursos naturales o como derivados

poco elaborados. Grado de diferenciación bajo.

•  Speciality: A partir de los commodity. Tienen un uso específico. Grado de diferenciación alto.

•  Fine: Sustancias complejas. Grado de diferenciaición alto.

•  Consumer: Vendidos a los consumidores. Grado de diferenciación alto.

CLASIFICACIÓN

26

PRODUCTOS QUÍMICOS

En función del volumen de producto

CLASIFICACIÓN

27

Wikipedia.en

PRODUCTOS QUÍMICOS INDUSTRIA QUÍMICA EN EU POR SECTOR

28

PRODUCTOS QUÍMICOS INDUSTRIA QUÍMICA EN EU POR SECTOR

29

PRODUCTOS QUÍMICOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS

Chem. Eng. News 26,91 (2013) 13

30

PRODUCTOS QUÍMICOS POR PAISES

Chem. Eng. News 27,89 (2011) 55

31


Chem. Eng. News 27,89 (2011) 55

32


Thousands of metric tonnes

UE 8.5 kton USA 9.5 kton China 42 kton

33

MATERIAS PRIMAS SEGÚN SU ORÍGEN

34

MATERIAS PRIMAS

De la atmósfera A partir del aire: N2, O2, Ne, Ar, Kr, Xe Atmosfera 5x1021 toneladas de aire

De la hidrosfera A partir del agua de mar: NaCl, Mg2+, Br-

Aguas oceánica 5x1021 litros. 3.5% materia disuelta

De la litosfera La mayoría de elementos se obtienen a partir de menas minerales, carbón o hidrocarburos. Carbón, gas natural y petróleo son también fuentes de energía.

De la biosfera Aceites, grasas, ceras, resinas, azucares, fibras naturales o cuero

SEGÚN SU ORÍGEN

35

MATERIAS PRIMAS DE LA INDUSTRIA QUÍMICA

Clasificaión de las materias primas según su aplicación

Materia Prima Producto final

CaF2 HF

Na2SO4 −

N2 NH3, HNO3

H2,O2 H2O2

S, H2S, FeS2 H2SO4

K5(PO4)3X H3PO4,HF

NaCl Cl2, NaClO3, NaOH

CaCO3 Na2CO3, Portland

36

MATERIAS PRIMAS CaF2

World Mining Statistics British Geological Survey

2013

China 4 Mton

37

MATERIAS PRIMAS Na2CO3


2012 38

MATERIAS PRIMAS AZUFRE

39

MATERIAS PRIMAS AZUFRE

Na2SO4 World Total (2012, tonnes) Natural 8 000 000 By product 3 000 000

Europe 7 Mton USA 9 Mton China 10 Mton Total 76 Mton

40

MATERIAS PRIMAS NaCl

41

MATERIAS PRIMAS NaCl

USA 44 Mton China 64 Mton Europe 70 Mton Total 281 Mton

42

MATERIAS PRIMAS K5(PO4)3X

China 91 Mton


2013 43

MATERIAS PRIMAS CaCO3

USA 19 Mton Europe 34 Mton China 210 Mton Total 340 Mton

Thousands of metric tonnes

44

MATERIAS PRIMAS COMPANÍAS MINERAS LIDERES (MARKET VALUE 2015)

statista.com

45

MATERIAS PRIMAS 10 COMPAÑÍAS LIDER

PARTE 3

CONSIDERACIONES REFERENTES A LA SÍNTESIS QUÍMICA INDUSTRIAL

¿QUÉ SABEMOS? QUIERO JUGAR UN JUEGO

48

¿QUÉ SABEMOS?

¿Cómo se puede producir Cl2 en el laboratorio?

¿Cómo se produce Cl2 en la industria moderna?

En una reacción química(industrial) ¿Qué se entiende por:? •  Grado de conversión •  Rendimiento •  Selectividad

Reactor: 6.0 mmol eteno 5.748 eteno + 0.244 de etanol Calcula el grado de conversión el rendimiento y la selectividad.

¿Cuáles crees que son la etapas en la creación de una planta química?

PEQUEÑO TEST DE NIVEL

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PROCESOS INDUSTRIALES

Síntesis de cloro En el laboratorio: Se añade gota a gota HCl sobre KMnO4 usando un embudo de adición condensada.

6 HCl + 2 KMnO4 + 2 H+ → 3 Cl2 + 2 MnO2 + 4 H2O + 2 K+

En la industria: Una disolución acuosa de NaCl se introduce en una celda electroquímica a través de un diafragma.

2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH El proceso se opera en continuo y la sal no reaccionada se recupera.

V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO

50


Producción de fenoles En el laboratorio (disolución):

C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl (cat. homogéneo) C6H5Cl + NaOH → C6H5ONa C6H5ONa + HCl → C6H5OH + NaCl

En la industria (fase gas): C6H6 + HCl + ½ O2 → C6H5Cl + H2O (cat. heterogen., 350ºC) C6H5Cl + H2O → C6H5OH (cat. heterogén., 300ºC)

La mayoria de los procesos en el laboratorio son: Reacciones en disolución (catálisis homogénea) Las temperaturas son relativamente bajas Raramente se realizan en continuo Selectividad/Conversión menos importante que rendimiento No se recuperan los reactivos

V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO

51

PROCESOS INDUSTRIALES V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO

52

Wikipedia.en


53


54

http://www.essentialchemicalindustry.org

1. El amoniaco se produce a partir de gas natural que llega a través de tuberías. 2. Parte del amoniaco se usa para hacer ácido nítrico 3. El amoniaco y el ácido nítrico se destinan a la producción de nitrato amónico. 4. El amoniaco se usa también para producir cianuro de hidrógeno 5. El cianuro de hidrógeno se transforma en metil 2-metilpropanoato que se destinará a la síntesis de polímeros acrílicos. 6. El ácido sulfúrico de desecho se recuperan 7. Los reactivos y productos se almacenan en grandes tanques.


Hidratación del Etileno Reacción principal:

CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH (cat.) Reacción secundaría:

Generación de polietileno A la entrada del reactor:

6.00 moles de eteno A la salida del reactor:

0.244 moles de etanol 5.748 moles de eteno

¿Cuál es el rendimiento, el grado de conversión y la selectividad?

GRADO DE CONVERSIÓN Y SELECTIVIDAD

55


Grado de conversión (6.00 – 5.748) / 6.00 x 100 = 4.2%

Selectividad / Eficiencia 0.244 / (6.00 – 5.748) x 100 = 96.82%

Rendimiento 0.244 / 6.00 x 100 = 4.066% 4.2 x 0.9682 = 4.066%

GRADO DE CONVERSIÓN Y SELECTIVIDAD

56


I+D

Laboratorio

Planta Piloto

Escalado

Producción

Revisión

DISEÑANDO UNA PLANTA INDUSTRIAL

57


I+D

Laboratorio

Planta Piloto

Escalado

Producción

Revisión

DISEÑANDO UNA PLANTA INDUSTRIAL

Elección de la ruta sintética •  Disponibilidad y costes de las materias

primas •  Modo de operación

•  Naturaleza de los productos •  Número de etapas •  Condiciones de reacción

•  El rendimiento de la reacción •  ¿Podemos aprovechar los productos

secundarios? •  ¿Podemos reutilizar los materiales no

reaccionados? •  Consideraciones ambientales/ Gestión de

residuos

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De capital Incluyen los costes para la obtención de los conocimientos necesarios y la contrucción de la planta

De producción (€/kg) Fijos: Independientes del volumen de producción

•  Devaluación de la planta •  Mano de obra •  Impuestos

Variables: Dependen del volumen de producción •  Precio de la materias primas y la energía •  Envasado y distribución •  Tratamiento de residuos

COSTES

59

PROCESOS INDUSTRIALES UN EJEMPLO DE REDUCCIÓN DE COSTES

60

PROCESOS INDUSTRIALES GASTO EN I+D

61

PROCESOS INDUSTRIALES ESCALA INDUSTRIAL

http://www.essentialchemicalindustry.org and Wikipedia 62


Procesos tipo Batch

Procesos en continuo

BACTH VS CONTINUO

63


Procesos en Continuo

BACTH VS CONTINUO

http://www.essentialchemicalindustry.org 64

PROCESOS INDUSTRIALES PROCESOS DE SEPARACIÓN

Extracción Destilación Filtración Trampa de gases

ADSORCIÓN g1-g2 + s → g1 + s-g2

ABSORCIÓN / SCRUBBING g1-g2 + l → g1 + l-g2

STRIPPING l-g1 + g2 → l + g1-g2

DESTILACIÓN l1-l2 → g1 + l2

EXTRACCIÓN l1-l2 + l3 → l1-l3 + l2

FILTRACIÓN (OSMOSIS) l + s → l

(T2/T3)

(T2)

65

PROCESOS INDUSTRIALES ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING

g1 + g2

l3

g1

g2-l3

g3

g2

g2 + g3

l3 g2-l3

l3

66

PROCESOS INDUSTRIALES ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING

Tipos de columna

67

PROCESOS INDUSTRIALES ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING, DESTILACIÓN

Tipos de columna

Platos en una columna fraccionaria Relleno en una columna empaquetada

68

PROCESOS INDUSTRIALES DESTILACIÓN

l1 + l2

l1

l2

Temperature

69

g2

PROCESOS INDUSTRIALES EXTRACCIÓN

l1 + l2

l3

l3

g3 + (g1)

l2 + l3

l3

l2 l1

l1 + (l3)

EX

TRA

CC

IÓN

STR

IPIN

G

DE

STILA

CIÓ

N

Densidad: l1 > l2, l3

g1

g3

l3

70

DECANTA- CIÓN

l2 + l3

PROCESOS INDUSTRIALES EXTRACCIÓN

A mixer-settler 71

PARTE IV

ALGUNOS ASPECTOS SOBRE SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA

SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA

Pre-1863 Ningún tipo de regulación

1863: Alkali Inspectorate Regulación sobre la emisiones de HCl en UK

1950s Aumenta el interés en los desechos industriales Gran niebla de Londres (1952) Minamata (1956)

1962 “Silent Spring” Rachel Carson 1980s Problema mundial

Lluvia ácida, agujero de la capa de ozono, calentamiento global… 1984 Desastre de Bophal 1986 Chernóbil (Fukushima, 2011)

1989 Protocolo de Montreal Substitución de los CFCs

1990 Concepción holística

UN POCO DE HISTORIA

73

SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA

1988 Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer

1989 Montreal Protocol on Substanteces that deplete the Ozone Layer

1992 Convention on Biological Diversity

1992 Framework Convention on Climate Change

1994 Convention to Combat Desertification

1997 Kyoto Protocol to the Framework Convention on Climate Change

2000 Cartagena Protocol on Biosafety

2001 Stockholm Convention on Persitent Organic Pollutants

TRATADOS MÁS IMPORTANTES

74

INDUSTRIA QUÍMICA

La industria química genera contaminantes de forma directa e indirecta

Industria Orgánica PCBs, Dioxins, Furans, DDTs, Toxaphene, Hexachlorobenzene, Aldrin, Deieldrin, Endrin, Chlordane, Mirex, Heptachlor

CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES

PCB DDT

Aldrin Mirex 75

INDUSTRIA QUÍMICA

La industria química genera contaminantes de forma directa e indirecta

Industria Inorgánica Combustión de materia combustibles fósiles y gas (C, N, S)

Monóxido de carbono (CO): •  Ozono troposférico, tóxico

Dioxido de carbono (CO2): •  Desplaza al oxígeno, efecto invernadero, lluvia ácida.

Óxidos de nitrógeno (NOx) y otros compuestos (NH3, HCN) •  Ozono troposférico, lluvia ácida, tóxico

Óxido nitroso (N2O) •  Efecto invernadero

Oxidos de azufre (SOx) y otro compuestos (H2S, CS2) •  Lluvia ácida, tóxico

Halógenos (Cl2, Br2) y sus compuestos (HCl, HBr, HF) •  Lluvia ácida, tóxicos, efectos sinérgicos

Partículas en suspensión: •  Efecto para la salud y el medio ambiente

CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES

76

INDUSTRÍA QUÍMICA EFECTOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE

77

EFECTO INVERNADERO GASES DE EFECTO INVERNADERO

Wikipedia, EN

78

EFECTO INVERNADERO GASES DE EFECTO INVERNADERO

Wikipedia, FR

79

CONTAMINACIÓN INORGÁNICA FUENTES PRINCIPALES

80


81


82


83

LLUVIA ÁCIDA

NOx: 2 NO2 + H2O → HNO2 + HNO3

3 HNO2 → HNO3 + 2 NO + H2O 4 NO + 3 O2 + 2 H2O → 4 HNO3

SOx: SO2 + H2O → H2SO3 2 SO2 + O2 → 2 SO3 SO3 + H2O → H2SO4

CO2: CO2 + H2O → H2CO3

REACCIONES MÁS IMPORTANTES

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OZONO TROPOSFÉRICO

El ozono en la ozonosfera O3 + hv1 → O2 + 3O

3O + M → 1O + M* 1O + O2 → O3

El ozono en la troposfera NOx:

2 NO + O2 → 2 NO2 NO2 + hν → NO + O O2 + O → O3

CO: CO + 2O2 + hν → CO2 + O3

EL SMOG

85


OECD enviromental outlook for the chemical industry, 2001

86

ALGUNOS TEMAS

Tipos de reactores

Equipamiento industrial

Pigmentos

Complejo Ludwigshafen Verbund

Historia del cemento

Tratados ecológicos actuales

Polución debida a partículas en suspensión

Polución debida a metales pesados

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RASCHING RINGS

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química inorgánica industrial - t1 - introducción

Education