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.
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
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
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.
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
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
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
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%
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/
