JORGE EDUARDO LOAYZA PREZ

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

• Desarrollo Sostenible y Sostenibilidad.
• Qué es un proceso industrial?
• Fundamentos para el diseño de un proceso
  sostenible (proceso industrial sostenible).
• Análisis de Casos.
• Quiénes hacen posible que la operación de una
  planta industrial sea sostenible?
• Taller
• Conclusiones Hacia Procesos Sostenibles.

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1. DESARROLLO SOSTENIBLE Y SOSTENIBILIDAD
4
COMPONENTE AMBIENTAL
DESARROLLO SOSTENIBLE
Calidad de vida y derechos humanos
Materias primas para la producción industrial
y sumidero de residuos y desechos industriales
COMPONENTE ECONÓMICO
COMPONENTE SOCIO-CULTURAL
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?

• Conjunto de etapas requeridas para que las
  materias primas e insumos se transformen en
  productos, subproductos y residuos.
• 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.
• Existe un rendimiento, una conversión y una
  selectividad, dependiendo de la actividad
  unitaria.
• Cada actividad unitaria requiere un equipo
  principal y equipos complementarios.
• 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)

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ANTECEDENTES
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PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA
FUNDAMENTOS
INGENIERÍA VERDE
QUÍMICA VERDE
PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES
DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA
BIOMIMETISMO
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).

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LA QUÍMICA VERDE Y LA SÍNTESIS IDEAL
Reacción simple
Utiliza materiales fácilmente disponibles
Un sólo paso
SÍNTESIS IDEAL
Cero residuos
Ambiental- mente saludable
Rendimiento del 100
Operación segura
Minimiza la cantidad de solventes
12
PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE
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.

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LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE
Fuente Conferencia de Sandestin
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
Reingeniería del sistema
BENEFICIOS
Optimización del sistema actual
INVERSIÓN
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 INDUSTRIALESSOSTENIBLES

• 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 PARA SER USADO EN DIVERSAS
ÁREAS DE LA PLANTA
VAPOR
AGUA
GENERACIÓN DE VAPOR
AIRE SECO
RECUPERACIÓN DE CALOR
DEPURACIÓN DE LOS GASES
OXIDACIÓN CATALÍTICA
SO2, SO3
YACIMIENTO
POLVO
PIRITAS
ABSORCIÓN
GASES DE TOSTACIÓN
H2SO4(c)
AIRE SECO
R3
ABSORCIÓN
CLASIFICACIÓN
FLOTACIÓN
EXTRACCIÓN
REDUCCIÓN DE TAMAÑO
TOSTACIÓN
H2SO4(c)
ACIDO SULFÚRICO (98,5 )
R1
CALCINA
R2
HACIA LA OBTENCIÓN DE HIERRO FUNDIDO
COLAS
A ALMACENAMIENTO PARA LUEGO OBTENER OTROS
METALES
Elaboración Loayza Jorge, 2008
24
PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS RENOVABLES
PRODUCCIÓN DE PULPA Y PAPELA PARTIR DE RECURSOS
FORESTALES
25
DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE
PULPABLANQUEADA
COMPUESTOS AZUFRE
EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE
BOSQUE NATURAL
DESCORTEZADO
TALA
ASTILLADO
COCCION
R4
AGUA
Especies maderables
AGUAS RESIDUALES
R1
R2
R3
LAVADO
R5
EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO
BLANQUEO
COMPUESTOS DE CLORO
R6
ENERGÍA
SECADO
R7
ENERGÍA
PULPA BLANQUEADA
PRODUCCIÓN SUCIA PROCESO NO SOSTENIBLE (O
INSOSTENIBLE)
26
PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE
PULPABLANQUEADA
COMPUESTOS AZUFRE
EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE
BOSQUE PLANTADO
DESCORTEZADO
TALA
ASTILLADO
COCCION
R4
a R
AGUA
Especies maderables
AGUAS RESIDUALES
R1
R2
R3
LAVADO
R5
a R
a R
a R
EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO
BLANQUEO
TOTALMENTE LIBRE DE CLORO (TLC)
R6
ENERGÍA
SECADO
R7
ENERGÍA
a R
PRODUCCIÓN LIMPIA PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE
PULPA BLANQUEADA
27
Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay
28
ELABORACIÓN DE PAPEL
AGUAS BLANCAS
AGUA
AGUA
ADITIVOS
PULPA BLANQUEADA
REFINACIÓN
MEZCLADO
REGULACIÓN DE CONSISTENCIA
LAMINACIÓN
SECADO
energía
ENERGÍA
ACABADO
AGENTE
PAPEL
29

• 5. QUIÉNES HACEN POSIBLE QUE LA OPERACIÓN DE UNA
  PLANTA INDUSTRIAL SEA SOSTENIBLE?

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PROVEEDORES
SERVICIOS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS
MAQUINARIAS Y EQUIPOS
MATERIAS PRIMAS E INSUMOS
PLANTA INDUSTRIAL (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE)
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL
SERVICIOS DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS
SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES, AGUAS Y
SUELOS
SERVICIOS DE SEGURIDAD Y PREVENCIÓN DE
ACCIDENTES
SERVICIOS DE SISTEMAS DE GESTIÓN
? Taller
31
6. TALLER
FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS
INDUSTRIALES SOSTENIBLES
32
CONTENIDO
Ejercicio 3 Aprovechamiento integral del algodón

• Ejercicio 2
• Producción de ácido fosfórico concentrado

Ejercicio 1 Producción de ácido adípico
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
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).

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 ? (n3)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 DE ROCA FOSFÓRICA
EXTRACCIÓN
REDUCCIÓN DE TAMAÑO
CLASIFICACIÓN
PREPARACIÓN DE LA PULPA
(A)
DIGESTIÓN
FILTRACIÓN
SEDIMENTACIÓN
EXTRACCIÓN POR SOLVENTES
(B)
(A)
ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 50-80
ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 36
FILTRACIÓN
EVAPORACIÓN
(B)
37
EJERCICIO 3 APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL
ALGODÓN(EJERCICIO PROPUESTO)
38
7. CONCLUSIONES HACIA PROCESOS SOSTENIBLES

• 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.
• 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.
• Los procesos sostenibles debe ser seguros, tanto
  para los que trabajan en las plantas industriales
  como para la comunidad.
• 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_at_unmsm.edu.pe
• jloayzap_at_revistavirtualpro.com
• jeloayzap_at_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
(c ó d)
H3PO4
DILUCIÓN
H2O
(a)
YACIMIENTO DE ROCA FOSFÓRICA
EXTRACCIÓN
REDUCCIÓN DE TAMAÑO
CLASIFICACIÓN
PREPARACIÓN DE LA PULPA
(A)
R1
(b)
R2
SOLVENTE
DIGESTIÓN
FILTRACIÓN
SEDIMENTACIÓN
EXTRACCIÓN POR SOLVENTES
(B)
(A)
H2O
SOLVENTE SUCIO
YESO SUCIO
R3
RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE
SOLVENTE LIMPIO (b)
YESO LIMPIO
IMPUREZAS
LAVADO
R4
AGUA DE LAVADO (a)
R5
IMPUREZAS
R7
(d)
(c)
ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 50-80
ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 36
FILTRACIÓN
EVAPORACIÓN
(B)
R6
IMPUREZAS
ELABORACIÓN JORGE LOAYZA, 2009