notas introductorias sobre ingenieria quimica

NOTAS INTRODUCTORIAS SOBRE
INGENIERIA QUIMICA
Dr. Ing. Qco. Sergio A. Giner (recopilación)
Profesor Adjunto
Simulación de Procesos I y II
Área Departamental Ingeniería Química
Facultad de Ingeniería, UNLP
2008
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¿QUE ES LA INGENIERIA QUIMICA?
En términos generales, la ingeniería química es la aplicación de la ciencia, en particular,
química, física, biología y matemática, al proceso de convertir materias primas o productos
químicos en productos más útiles, aprovechables o de mayor valor.
En términos más precisos, se puede decir que:
Ingeniería Química es la rama de la Ingeniería que se dedica al estudio, síntesis, desarrollo,
diseño, operación y optimización de todos aquellos procesos industriales que producen
cambios físicos, químicos y/o bioquímicos en los materiales.
La definición que aparece actualmente en la Constitución del Instituto Estadounidense de
Ingenieros Químicos (AIChE) es*:
“Ingeniería Química es la profesión en la cual el conocimiento de la matemática, química y
otras ciencias básicas, ganados por el estudio, la experiencia y la práctica, es aplicado con
juicio para desarrollar maneras económicas de usar materiales y energía para el beneficio de la
humanidad”.
Por ser Ingeniería, se necesita realizar estas actividades atendiendo a razones de
tiempos y costos.
Ejemplos (entre muchos otros):
(1) Producción de amoníaco a partir del nitrógeno del aire y de hidrógeno
(2) Manufactura de cloro, hidrógeno e hidróxido de sodio (soda cáustica) mediante la
electrólisis de salmuera
(3) Producción de ácido sulfúrico por el método de contacto
(4) Producción de plásticos (polietileno, polipropileno, PVC) por polimerización de insumos
petroquímicos básicos
(5) destilación y procesamiento en refinerías de petróleo para producir gas, combustibles y
lubricantes
(6) Producción de Aluminio por reducción electroquímica del óxido (Al2O3)
(7) Producción de leche deshidratada en polvo a partir de la leche líquida natural bovina
(8) Extracción de aceite de soja desde las semillas, utilizando un solvente adecuado
(9) producción de biocombustibles por transesterificación de aceites vegetales (biodiesel) o por
fermentación de cereales o azúcar (bioetanol)
(10) Deposición de metales (en forma de vapor) para circuitos electrónicos.
Además de intervenir en la manufactura de productos útiles, la ingeniería química, en su
actividad de investigación y desarrollo, es protagonista de la creación de nuevos productos y
*
extraído del sitio www.ingenieriaquimica.org
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técnicas. Un profesional que desarrolle cualquiera de estas actividades se denomina Ingeniero
Químico.
La Ingeniería Química, principalmente, involucra el diseño y la operación de procesos químicos
para la manufactura en escala industrial. Los ingenieros químicos dedicados a estos aspectos
suelen denominarse Ingenieros de Procesos.
El siguiente diagrama ilustra las interacciones de la ingeniería química, con sus ciencias
sustentadoras, y las limitantes socio-ambientales
Conceptos de
Bioquímica y
Tecnología de
Alimentos
Biología
Ecología
Economía
Aplicación de
productos y/o
procesos
Química
Física
INGENIERIA QUIMICA
Matemática
Consideraciones
éticas
Legislación
Opinión
Pública
ALGUNAS NOTAS DE HISTORIA Y DE LA IDENTIDAD DE LA INGENIERIA QUIMICA
La Ingeniería Química surgió como una disciplina específica hacia fines del siglo XIX,
cuando se aceleró la revolución industrial. Se había creado la máquina de vapor, la máquina
frigorífica, el ferrocarril, los motores a nafta (ciclo Otto) y Diesel, se mejoraban los aceros y
hormigones. Los países centrales buscaban formas de expandir su economía, exportando
productos manufacturados a otros países y compitiendo con sus vecinos por los mercados. Los
desarrollos químicos que se hacían a nivel de laboratorio (sales, ácidos, explosivos, bases,
fertilizantes) debían pasar a escala industrial. Se necesitaban nuevos combustibles, más
eficientes, ir reemplazando la economía basada en la energía de la máquina de vapor a
carbón, por otra fundada en la explotación del petróleo, que a su vez debía separarse en
numerosos combustibles diferentes.
Allí, además de química y procesos de purificación, se necesitaban nociones de
economía, experiencia práctica y conocimiento de realización de obras en gran escala. El
problema surgía de que no siempre el mejor método de síntesis a escala de laboratorio, era el
mejor a escala industrial, especialmente porque, en el laboratorio, la palabra “mejor” podía
involucrar la facilidad de ser llevada a cabo en escala pequeña, conduciendo a un producto de
gran pureza. Pero a escala industrial, las limitantes económicas, de espacio, de tiempo, y de
eficiencia energética podían cambiar el criterio. Con este fin, los químicos con orientación
práctica, se vincularon a los ingenieros mecánicos, volviéndose con el tiempo químicos
industriales. No obstante, la inclinación era producir procesos “discontinuos” (cargar, procesar,
descargar), adecuados para bajas producciones, e ineficientes para la producción de gran
escala (por los “tiempos muertos” de carga, descarga y limpieza). Para que la ingeniería
química tuviera una identidad, más allá de la “mezcla” de química industrial e ingeniería
mecánica, era necesario desarrollar conceptos propios. La necesidad de montar procesos
continuos controlables posiblemente forzó la evolución conceptual.
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Durante esta evolución, rápida por cierto, que tuvo lugar en los últimos años del siglo
XIX y primeros años del siglo XX, especialmente en Europa y Estados Unidos, se fue llegando
a la conclusión de que si bien cada industria química tenía materias primas específicas y un
diagrama de producción específico, éste estaba conformado por un número relativamente
reducido de “etapas” distintivas. Por ejemplo, el principio utilizado para separar el Gas Oil de la
Nafta es el mismo que el empleado para separar el agua del alcohol etílico luego de una
fermentación, aunque los compuestos en sí difieran apreciablemente. Este concepto, el de la
Destilación, fue una de los primeros en la división de la Ingeniería Química en “Operaciones
Unitarias u Operaciones Físicas” y “Procesos Unitarios”. Las primeras comprenden toda etapa
donde puede haber un cambio físico o fisicoquímico, pero no una reacción química
determinante, y así se incorporaron la Destilación, la Extracción Sólido Líquido (por ejemplo,
para obtener el aceite de la soja), la extracción líquido-líquido (valioso proceso en la ingeniería
química, cuando se requiere separar uno o más componentes de una mezcla líquida), la
absorción de gases (que se utiliza, entre otros ejemplos, para purificar los efluentes gaseosos
de las chimeneas industriales), Secado, Humidificación, Enfriamiento (por ejemplo, la torre de
la Petroquímica de Ensenada, que simplemente enfría agua de proceso, y que parece un
paraboloide de una hoja), bombeo de fluidos, reducción del tamaño de partículas,
concentración (por ejemplo, de jugo de manzana o naranja, de proteínas de suero de quesería,
de una solución de detergente), filtración.
Las etapas que incorporan reacciones químicas, para dar lugar a nuevos productos, se
llamaron procesos unitarios, y la ingeniería química se dedicó a estudiar y desarrollar los
“espacios” donde pudieran tener lugar una diversidad de reacciones: Por ejemplo, el reactor
tanque agitado discontinuo (TAD), el reactor tanque agitado continuo (TAC) y el reactor tubular
(TUB), éste únicamente utilizado en procesos continuos. Es evidente que el reactor más
intuitivo es el TAD, que correspondería al escalado del reactor químico de laboratorio por
excelencia: el tubo de ensayo. Uno de los objetivos básicos de los procesos unitarios, que
eventualmente devinieron en “Ingeniería de las Reacciones Químicas”, es lograr que los
procesos de reacción se realicen en las condiciones más controlables, menos drásticas,
costosas y peligrosas, por ejemplo a menores presiones y temperaturas. El desarrollo de
catalizadores, sustancias químicas que formalmente no intervienen en la reacción, pero que
permiten llevar a cabo las reacciones químicas mucho más rápidamente, y el diseño de los
reactores químicos son actividades interrelacionadas. Uno de los pilares de la Ingeniería de los
Reacciones Químicas es el Estudio de la velocidad de las reacciones químicas, la Cinética
Química. El desarrollo de expresiones matemáticas que representen la cinética química de un
proceso constituye una gran ayuda para el diseño y optimización de los reactores*.
Por su parte, las “Operaciones Unitarias” han evolucionado mediante la aplicación
sistemática de los fenómenos de transporte de masa, calor y cantidad de movimiento. El
primero es específico de la ingeniería química, y el que aporta la mayor identidad; el segundo
es muy importante, pero es estudiado también por la ingeniería mecánica, aunque no para
aplicarlo en procesos químicos. Finalmente, el estudio de los fenómenos de transporte de
cantidad de movimiento, es aplicable a la mecánica de fluidos, disciplina que el ingeniero
químico comparte con los ingenieros hidráulicos y aeronáuticos, aunque los campos de
aplicación de esta disciplina son diferentes según el tipo de ingeniería. El ingeniero químico
utiliza la mecánica de fluidos para calcular redes de cañerías en plantas, sistemas de
ventilación, potencia de bombas y compresores, distribución de velocidades en caños y
columnas de destilación, etc. Los fenómenos de transporte permiten una descripción detallada
de los fenómenos involucrados, y su aplicación va en aumento por la creciente información
experimental y teórica disponible para determinar los “coeficientes” de transporte de los
*
Nótese que la palabra “Reactor” en Ingeniería Química surge, por supuesto, de la “reacción química”, en forma análoga a la del
reactor nuclear, cuyo nombre surge por ser el continente de una reacción, del núcleo de un átomo. Sin embargo, el reactor de una
aeronave, lo que normalmente se llama turbina, proviene de la utilización del principio de acción y reacción, no por la reacción
de combustión que también ocurren en su interior. El cilindro de un automóvil no se llama reactor puesto que la reacción que allí
ocurre tiene el objetivo de producir energía, y no un producto útil.
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complejos modelos matemáticos resultantes, que están siendo organizados en programas
propios y comerciales, utilizándose así en forma cada vez más extendida la velocidad de
cálculo de las computadoras.
ORIENTACIONES ACTUALES DE LA INGENIERIA QUIMICA
A la rama que podríamos denominar “clásica” de la ingeniería química (la orientación
procesos), representativa de la industria química inorgánica, orgánica, del petróleo y la
petroquímica, se le suma el gran desarrollo de la industria de las fermentaciones, para
transformar materias primas de origen biológico como el azúcar, en productos industriales,
tales como el alcohol etílico (obsérvese el fenómeno brasileño de los autos que funcionan a
etanol), y en la producción de alimentos y antibióticos (por ejemplo, la fructosa se fabrica a
partir de glucosa en un proceso que utiliza la enzima glucosa isomerasa como catalizador
biológico). Esta industria ha enriquecido a la ingeniería química que también puede aplicar sus
conceptos al diseño y optimización de estos procesos de fabricación.
A los procesos fermentativos, considerados los precursores de la biotecnología por
utilizar catalizadores de origen biológico (enzimas) en procesos de interés industrial, se les
suma la pujante industria de los alimentos que, con la ayuda de los ingenieros químicos, ha
creado una rama nueva de la ingeniería química, que en muchas facultades se enseña como
una carrera separada, la ingeniería de los alimentos. Esta abarca la industria de la
conservación de materias primas alimenticias (cereales y oleaginosas, frutas y hortalizas,
productos lácteos, huevos, productos cárneos, grasas y aceites) y su procesamiento, que en
Argentina adquiere una significación muy particular. Los libros de Ingeniería de Alimentos, se
basan en una clasificación aproximada de Operaciones Físicas proveniente de la Ingeniería
Química, para sintetizar la descripción de etapas de concentración por evaporación y procesos
de membrana, deshidratación de alimentos, refrigeración y congelación de alimentos,
tratamientos térmicos para destrucción de microorganismos, estudio de la transferencia de
materia durante el almacenamiento de alimentos envasados, etc. Estos temas requieren que
los ingenieros químicos refuercen sus conocimientos de biología y bioquímica, que se imparten
en la actual Orientación Alimentos de la Carrera de Ingeniería Química de la UNLP.
En las últimas dos décadas creció la presión pública por incluir restricciones
ambientales a los efluentes industriales, sean estos gaseosos, líquidos y sólidos. Esto motivó
que el Clásico Manual del Ingeniero Químico, de Perry, incorporara, en sus últimas ediciones,
un capítulo dedicado al Manejo de Desperdicios, y que hayan surgido manuales, publicaciones
e investigaciones para el tratamiento de los efluentes, o bien para el desarrollo de tecnologías
limpias o “sostenibles”. Los procesos sostenibles suelen estar inscriptos en un ciclo cerrado de
materias primas y productos, donde se reaprovechan los desechos industriales, y los desechos
del consumo de productos, y se reciclan para incorporarlos como materias primas del mismo u
otros procesos. La Orientación Ambiental de Ingeniería Química de la UNLP, estudia los
procesos de tratamiento de efluentes, tecnologías limpias y descontaminación dividiendo el
estudio en “contaminación de la atmósfera, del agua, y del suelo”.
Una orientación que todavía no ha sido definida como tal, y que tal vez pueda ser
absorbida por la Orientación Procesos, es el estudio de las nuevas formas de producción de
energía que minimicen las llamadas “emisiones de invernadero”. El desarrollo industrial, en el
cual la ingeniería química ha tenido gran responsabilidad, se sustenta en la generación de
energía quemando combustibles fósiles, generalmente derivados del petróleo: como se sabe
esas reacciones dan lugar a dióxido de carbono y vapor de agua, más calor (aunque también
producen óxidos de azufre y un poco de óxidos de nitrógeno, responsables ambos de lluvia
ácida). En la última reunión de la Comisión Internacional de Cambio Climático de París (Enero
de 2007), varios centenares de científicos de gran trayectoria llegaron a la conclusión de que
los desarrollos industriales de la humanidad fueron responsables, en gran medida, del aumento
de las temperaturas promedio que se vienen registrando en el mundo, y que provocan fusión
de los hielos polares, con aumento del nivel del mar y casi seguro, sequías en algunos lugares,
inundaciones en otros y, junto al incesante crecimiento de la población mundial, disminución de
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las reservas de agua potable, tormentas tropicales de mayor fuerza destructiva, y desarreglos
climáticos de todo tipo. El aumento de la proporción de CO2 en el aire (que es actualmente
mayor de 0,035% v/v) deja pasar hacia el planeta la radiación solar, pero retiene en mayor
medida que antes la reflexión de esta en La Tierra. El Efecto Invernadero es normal y posibilita
la vida en el planeta, pero el exceso de CO2 produce un aumento del Efecto Invernadero,
llamado “recalentamiento global”. El apagón de la Torre Eiffel de 5 minutos promovido por
Greenpeace en Febrero de 2007 tuvo la intención de alertar sobre este problema, indicando
que “todavía no es demasiado tarde para cambiar”. En consecuencia, sea porque el petróleo
puede agotarse pronto, sea porque se está tomando conciencia en el poder empresario y
gubernamental de que la quema de combustibles fósiles debe ir reduciéndose en forma
consistente, se está, ahora mismo, atravesándose un período de transición hacia la utilización
de biocombustibles, como el biodiesel y el bioetanol, y, mejor aún, hacia la utilización del
hidrógeno como fuente de energía (por ejemplo, para celdas de combustible). También jugarán
roles importantes energías producidas por métodos donde la ingeniería química no tiene, en
principio, demasiada injerencia, como los sistemas fotovoltaicos (paneles solares) y la eoloelectricidad. No obstante, la posible utilización de celdas de combustible (fuel cells) como
medio de producción de energía eléctrica mediante la reacción electroquímica de hidrógeno y
oxígeno para dar agua, permite un excelente campo de investigación para los ingenieros
químicos (Las preguntas como: ¿de donde sacar el hidrógeno?, ¿hay que acumularlo, o
producirlo inmediatamente antes de su utilización?. ¿Es contaminante producir hidrógeno de
fuentes que no sean agua? no han sido debidamente aclaradas).
ALGUNOS EJEMPLOS CARACTERISTICOS DE LA INDUSTRIA DE PROCESOS
Acido sulfúrico
El ácido sulfúrico es un ácido mineral fuerte. Es soluble en agua en todas las concentraciones,
y conocido en la antigüedad como “aceite de vitriol”, nombre acuñado en el siglo VIII por el
alquimista Jabir ibn Hayyan, quien, posiblemente, haya sido su descubridor. El ácido sulfúrico
tiene muchas aplicaciones, y su producción anual es mayor que la de cualquier otra sustancia
química, 165 millones de toneladas en 2001, por un valor de 8000 millones de dólares. Los
usos principales incluyen el procesamiento de minerales, la manufactura de fertilizantes, la
destilación del petróleo, el procesamiento de efluentes, y la síntesis química. Debe indicarse,
asimismo, que muchas proteínas están compuestas por aminoácidos que contienen azufre
(como la cisteína y metionina), y que producen ácido sulfúrico cuando se las metaboliza en el
organismo. En 1831, Peregrine Phillips, Británico, involucrado en el comercio de vinagre,
patentó un proceso mucho más económico que los previos para fabricar trióxido de azufre y
ácido sulfúrico concentrado, conocido como Proceso de Contacto. Esencialmente, todo el
suministro actual de ácido sulfúrico se produce por este método.
En la primera etapa, el azufre se quema para producir dióxido de azufre
(1) S(s) + O2(g) → SO2(g)
o se tuesta un mineral como pirita en exceso de aire:
(1’) 4 FeS 2 ( s ) + 11O2 ( g ) → 2 Fe2 O3 ( s ) + 8SO2 ( g )
En ambas reacciones, el exceso de aire permite luego oxidar el dióxido a trióxido de azufre
(reacción reversible), en presencia de un catalizador de vanadio (ésta es la reacción central del
proceso)
(2) 2SO2 ( g ) + O2 ( g ) → 2 SO3 ( g )
∆H= -196 kJ mol-1
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Finalmente, el trióxido de azufre se trata con agua (usualmente en la forma de H2SO4 al 9798% con 2-3% de agua para producir ácido sulfúrico de 98-99%)
(3) SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(l)
Nótese que la disolución directa de SO3 en agua es impráctica por la elevada exotermia de la
reacción. Se forman neblinas de producto en lugar de líquido. En consecuencia, el SO3 es
absorbido en H2SO4 para producir H2S2O7, que es luego diluido para formar ácido sulfúrico.
(3) H2SO4(l) + SO3 → H2S2O7(l) (denominado ácido sulfúrico fumante u oleum)
El compuesto formado reacciona con agua para dar H2SO4 concentrado.
(4) H2S2O7(l) + H2O(l) → 2 H2SO4(l)
Figura de la parte final del proceso de contacto para la fabricación de H2SO4. El Oleum se
considera aquí H2SO4 al 98,5%.
Condiciones operativas de la conversión de dióxido en trióxido de azufre
SO2 + O2 (del aire) en proporción de
volumen 1:1
400-450ºC
1-2 atm de presión
Explicando las condiciones
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* Las proporciones de dióxido de azufre y oxígeno
La mezcla que ingresa al reactor tiene iguales proporciones en volumen de dióxido de azufre y
oxígeno. Como a bajas presiones, la proporción volumétrica es casi equivalente a la proporción
molar, esto significa un exceso de oxígeno respecto de las proporciones especificadas en la
ecuación
2 SO2 ( g ) + O2 ( g ) → 2 SO3 ( g ))
∆H= -196 kJ mol-1
De acuerdo al principio de Le Chatelier, el incremento en la concentración de oxígeno en la
mezcla causa un desplazamiento en la posición del equilibrio hacia la derecha. Dado que el
oxígeno se obtiene del aire, implica una forma muy económica de incrementar la conversión de
dióxido en trióxido de azufre
¿Por que no usar una proporción aún más alta de oxígeno entonces?
El equilibrio se desplazaría mucho hasta casi una reacción irreversible, no obstante, la
producción de trióxido sería muy baja por hora dado que un gran exceso de oxígeno implicaría
ocupar casi todo el espacio de reacción con O2 y N2 con muy poco SO2 para reaccionar con O2.
En consecuencia, el aumento de la proporción de O2 aumenta la conversión de dióxido de
azufre convertido, pero al mismo tiempo se reduce la cantidad de trióxido de azufre producido
cada día. La mezcla 1 : 1 da el mejor resultado posible de trióxido de azufre.
* La temperatura
Consideraciones del equilibrio
Hay una necesidad de desplazar la posición del equilibrio tanto como sea posible a la derecha
para producir la máxima cantidad de trióxido de azufre en la mezcla del equilibrio.
La reacción directa (producción de trióxido de azufre) es exotérmica.
2 SO2 ( g ) + O2 ( g ) → 2 SO3 ( g ))
∆H= -196 kJ mol-1
De acuerdo al principio de Le Chatelier, el equilibrio se favorecería si se disminuye la
temperatura, pues el sistema responderá, para contrarrestar, produciendo más calor.
En consecuencia, para lograr la mayor proporción de trióxido de azufre posible en la mezcla en
equilibrio, necesitaremos una temperatura lo más baja posible. Sin embargo, 400 - 450°C no
son temperaturas precisamente bajas
Consideraciones de velocidad de reacción
Cuanto menor sea la temperatura de reacción, la reacción se volverá más lenta, pero el
fabricante tratará de producir tanto trióxido de azufre como sea posible por día. Entonces, no
tendrá sentido reducir la temperatura para tener una alta proporción de trióxido de azufre en el
equilibrio si esta reacción puede tomar años para producirse y alcanzar ese equilibrio. En
realidad se necesita alcanzar el equilibrio en el poco tiempo que los gases estén en contacto
con el catalizador en el reactor
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Solución de compromiso
400 - 450°C es un rango de temperaturas de compromiso para producir una cantidad bastante
alta de trióxido de azufre en la mezcla de equilibrio, en un tiempo muy corto.
* Efecto de la presión
Consideraciones del equilibrio
2 SO2 ( g ) + O2 ( g ) → 2 SO3 ( g ))
∆H= -196 kJ mol-1
Obsérvese que hay 3 moléculas en el lado de los reactivos y sólo 2 en los productos.
De acuerdo al principio de Le Chatelier, el incremento de presión del sistema favorecerá la
reacción que produzca menos moléculas, de manera que la presión se reduzca nuevamente.
Así, para lograr una alta proporción de trióxido de azufre en la mezcla de equilibrio, se necesita
tanta presión como sea posible. Las altas presiones también aumentan la velocidad de
reacción. Sin embargo, en la industria la reacción se lleva a cabo a presiones cercanas a la
atmosférica.
Consideraciones económicas
Aún a éstas presiones relativamente bajas, la conversión de dióxido a trióxido de azufre es de
99.5%, por lo que algún pequeño aumento que pueda lograrse por aumentar la presión no vale
la pena económicamente: los equipos que resisten presiones altas son mucho más caros de
fabricar y operar
* El catalizador
Consideraciones del equilibrio
El catalizador no tiene un efecto sobre la composición de la mezcla en equilibrio, sino sobre la
velocidad de reacción.
En ausencia de un catalizador, la reacción es tan lenta que prácticamente no ocurre. El
catalizador permite lograr una velocidad de reacción suficiente para que sea económicamente
viable, aprovechando los cortos tiempos de contacto de los gases durante su paso por el
reactor.
Traducido y adaptado de www.chemguide.co.uk (Clark, J. (2008)), y http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfuric_acid
El ácido sulfúrico es un “commodity” importante de la industria química, y un indicador del
poderío industrial de las naciones (Vian Ortuño, 1999). En la Argentina se fabrica, por ejemplo,
por la Fábrica Militar de Río Tercero, Córdoba y por la compañía ICI-Duperial, en San Lorenzo,
cerca de Rosario, Santa Fé; También por BASF y Meranol. (Cámara de la Industria Química y
Petroquímica, 2007).
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Amoníaco, Proceso Haber
El proceso Haber (Clark, 2007) combina nitrógeno del aire con hidrógeno (todavía extraído del
reformado de gas natural (metano) para formar amoníaco. Esto “fija” el nitrógeno atmosférico
para la fabricación de fertilizantes, por ejemplo urea. La reacción es reversible y exotérmica.
Así, pasa el N2 del aire de una forma que no puede aprovecharse mayormente para el
crecimiento de las plantas, a otra que sí puede aprovecharse, especialmente luego de
transformar el amoníaco en sulfato de amonio, o en nitratos.
N 2 ( g ) + 3H 2 ( g ) ⇔ 2 NH 3 ( g ))
∆H= -92 kJ mol-1
Se muestra a continuación un diagrama de flujo esquemático del proceso Haber:
N2 (g),
H2 (g)
Ar (g)
REACTOR
CATALITICO
N2 (g),
H2 (g)
Ar (g)
N2 (g) + 3H2 (g)Æ 2 NH3 (g)
400-450 ºC
200 atm
Catalizador de hierro
Conversión, 15%, por paso
N2 (g),
H2 (g)
Ar (g)
NH3 (g)
Algunas notas sobre las condiciones operativas
El catalizador El catalizador es un poco más complicado que el hierro puro. Contiene
hidróxido de potasio como promotor, una sustancia que aumenta la eficiencia del
catalizador.
La presión Unas 200 atmósferas.
Reciclo de reactivos En cada paso de los gases por el reactor, sólo cerca del 15% del
nitrógeno e hidrógeno se convierten en amoníaco. Mediante el reciclo del nitrógeno e
hidrógeno no reaccionados, la conversión global se acerca al 98%.
Descripción de las condiciones
* Las proporciones de nitrógeno e hidrógeno
Son las estequiométricas. En algunas reacciones, se podría utilizar un exceso de los reactivos
siempre y cuando se desee convertir lo más posible el otro. Pero esto no se da en este caso.
* La temperatura
Consideraciones del equilibrio
Es necesario desplazar la posición del equilibrio lo más posible hacia la derecha en la reacción,
para producir la máxima cantidad posible de amoníaco en la mezcla de equilibrio. La reacción
directa (la proporción de amoníaco) es exotérmica.
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N 2 ( g ) + 3H 2 ( g ) ⇔ 2 NH 3 ( g ))
∆H= -92 kJ mol-1
De acuerdo al Principio de Le Chatelier, el equilibrio se favorecerá si se reduce la temperatura.
El sistema responderá moviendo la posición del equilibrio para contrarrestar esto, en otras
palabras, para producir más calor. Así, a efectos de obtener la mayor proporción posible de
amoníaco en la mezcla de equilibrio, se necesitará a una temperatura lo más baja que se
pueda. Sin embargo, la temperatura de 400 - 450°C que se usa no constituye una temperatura
baja.
Consideraciones de velocidad de reacción
Cuanto más baja es la temperatura que se use, menor será la velocidad de reacción. Dado que
la compañía tratará de producir tanto amoníaco como sea posible por día, no tendrá sentido
lograr una mezcla de equilibrio con una gran proporción de amoníaco si se necesitan años para
lograrla. Los reactivos deberán llegar al equilibrio en el reactor, en el corto tiempo en que
estarán en contacto con el catalizador.
Solución de compromiso
El rango de temperaturas de 400 - 450°C es un valor de compromiso para producir una
proporción razonable de amoníaco en la mezcla de equilibrio (aún cuando la conversión por
paso sea sólo del 15%), pero en un tiempo muy breve.
* La presión
Consideraciones de equilibrio
N 2 ( g ) + 3H 2 ( g ) ⇔ 2 NH 3 ( g ))
∆H= -92 kJ mol-1
Nótese que hay 4 moléculas en el miembro izquierdo de la ecuación, y sólo 2 en el derecho.
Esto tiende a bajar la presión. De acuerdo con el principio de Le Chatelier, si se aumenta la
presión, el sistema va a reaccionar para contrarrestar la acción, desplazando el equilibrio hacia
la derecha para bajar la presión. Por eso se utiliza una presión alta de 200 atm.
Consideraciones de velocidad de reacción
El incremento de la presión aproxima las moléculas entre sí, e incrementa la posibilidad de
choque entre los reactivos, y contra la superficie del catalizador. En consecuencia, resulta
beneficioso incrementar la presión también desde el punto de vista de la cinética de reacción.
Consideraciones económicas
Las presiones muy altas son doblemente costosas. Se necesita construir cañerías muy
resistentes, aumentando los costos de inversión. Al mismo tiempo, las altas presiones son
costosas de generar y mantener.
El compromiso
200 atmósferas representan un valor de compromiso seleccionado sobre una base económica.
Si la presión es muy alta, el costo de generación excede el valor extra que se puede ganar por
vender más amoníaco.
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* El catalizador
Consideraciones de equilibrio
El catalizador no tiene efecto sobre la proporción de amoníaco en el equilibrio. Su función es
aumentar la velocidad de la reacción.
Consideraciones de velocidad de reacción
En ausencia de un catalizador, la reacción es tan lenta que virtualmente no ocurre. El
catalizador asegura que la reacción sea suficientemente alta para lograr el equilibro en el breve
período de tiempo que los gases tardan en atravesar el reactor.
Separación del amoníaco
Cuando los gases dejan el reactor, lo hacen a alta temperatura y presión. El amoníaco se licúa
fácilmente bajo presión, siempre y cuando la temperatura es no sea muy elevada. Así, la
temperatura de la mezcla es reducida para condensar el amoníaco a líquido. El nitrógeno y el
hidrógeno se mantienen gaseosos aún a tales presiones y pueden reciclarse.
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Producción electroquímica de aluminio
El mineral del cual se extrae el aluminio, comúnmente llamado bauxita, es abundante y se
encuentra principalmente en áreas tropicales y subtropicales: África, Antillas, América del Sur y
Australia. Hay también algunas minas de bauxita en Europa. Este mineral se refina para
obtener óxido de aluminio (alúmina), y luego, a través de un proceso electrolítico ser reducida a
aluminio metálico.
Las plantas de producción de aluminio primario están distribuidas por todo el mundo,
especialmente en zonas donde la energía eléctrica sea abundante y barata.
Se requieren de dos a tres toneladas de bauxita para producir una tonelada de alúmina, y, a su
vez, dos toneladas de ésta última para dar lugar a una tonelada de aluminio metálico
(del sitio www.aluar.com.ar, planta de Puerto Madryn, Chubut, Argentina)
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Producción de polietileno
Es un ejemplo clásico de la polimerización aditiva
n CH 2 = CH 2 → [ −CH 2 − CH 2 − ]n
El valor de “n” es variable, entre 2000 y 20000. Se fabrica a aproximadamente 200ºC y a cerca
de 2000 atmósferas de presión. Se utiliza una impureza de oxígeno como iniciador.
Propiedades y usos
Polietileno de baja densidad
El polietileno de baja densidad (PEBD, o LDPE) es
muy ramificado, y esto impide a las cadenas estar muy
cerca unas de las otras. Siempre en estado sólido,
aquellas regiones donde las cadenas están muy cerca
pueden adoptar la forma cristalina, mientras que
cuando el ordenamiento es más al azar, están en
estado amorfo. El PEBD tiene una proporción elevada
de regiones amorfas. El PEBD se ha utilizado en las
bolsas de supermercado y para otros fines donde se
requiere un material flexible sin mucha resistencia
mecánica
Polietileno de alta densidad
El polietileno de alta densidad (PEAD ó HDPE), se
fabrica bajo distintas condiciones a partir de PEBD. El
proceso se realiza a 60ºC, a pocas atmósferas de
presión, empleando un catalizador Ziegler-Natta o
compuestos metálicos. Los catalizadores Ziegler-Natta
son mezclas de compuestos de cloruro de titanio (III)
TiCl3, o cloruro de Titanio (IV) TiCl4, y de compuestos
de aluminio tales como trietilo de aluminio Al(C2H5)3.
Los catalizadores en uso cambian con el tiempo de
acuerdo a los desarrollos tecnológicos. Los
catalizadores mencionados trabajan en forma diferente
en éste proceso a baja presión, y dan lugar a cadenas
menos ramificadas.
La cristalinidad es de 95% o mayor. El plástico es más fuerte y tiene un punto de fusión mayor.
La mayor densidad resulta del mejor aprovechamiento del espacio por las moléculas menos
ramificadas. Se ha utilizado para hacer botellas de plástico y accesorios donde hace falta
mayor resistencia.
(Traducido y adaptado de Clark, J(2007), www.chemguide.co.uk). Diagrama del sitio http://www.bvsde.opsoms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml (Organización panamericana de la salud)
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Procesamiento de maíz por molienda húmeda
Este es uno de los procesos característicos de la agroindustria/ tecnología de alimentos y
consiste en separar los componentes del maíz, principalmente almidón, un producto rico en
proteínas, otro producto rico en fibra y aceite comestible. El almidón por su parte puede
hidrolizarse enzimáticamente a glucosa, la que puede isomerizarse a fructosa, o fermentarse
para dar alcohol etílico (bioetanol) (Giner, 2007, Maestría en Tecnología e Higiene de los
Alimentos, UNLP)
Maíz
limpio
Tanques de
maceración
Aguas de
maceración
Molienda+
tamización
húmeda
Separadores
de germen
Lavado +
Expulsión de
humedad +
secado
Germ
meal
Germen
Evaporadores
Separadores
centrífugos
Cáscara
y fibra
Gluten
Filtración
Extractores
con solvente
ACEITE
CRUDO
CEF
GLUTEN
FEED
Filtración,
decoloración,
desodorizado
Secado y
Molienda
GLUTEN
MEAL
Aceite Refinado
Almidón
sin lavar
Lavado en
hidrociclón
Hidrólisis
Secado
Almidón
Glucosa
Tostado
Dextrinas
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ALGUNOS DATOS DE LA INGENIERIA QUIMICA EN LA ARGENTINA
LA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA DE SANTA FE (www.fiqus.unl.edu.ar)
La Asociación Argentina de Ingenieros Químicos (http://www.aaiq.org.ar) tuvo sus orígenes en
la ciudad de Santa Fe el 10 de diciembre de 1928, cuando los primeros egresados de la
Facultad de Ingeniería Química de Santa Fe, que había sido fundada en 1918, decidieron
formar un centro que agrupe a los Ingenieros Químicos. En esa primera comisión directiva fue
elegido como presidente el Ing. G. Maidana, como secretario al Ing. M. Schivazappa y como
vocales los Ing. J. Salgado, G. Berraz, R. Contini, A. Abbate y J. Cruellas. En esos años, la
AAIQ funcionó en la ciudad de Santa Fe, hasta ese momento sede de la única Facultad de
Ingeniería Química del país. Los profesionales de la Ingeniería Química tuvieron desde
entonces una activa participación en la naciente industria nacional, colaboraron en la
tecnificación del agro y en la industrialización de sus productos. Dieron su aporte en temas
tales como el saneamiento y potabilización de las aguas, en producir petróleo y acero y, por
otra parte, contribuyeron a crear cientos de empresas Pymes. Hoy la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Nacional del Litoral (UNL), en Santa Fé, aquilata una rica historia,
dio lugar al desarrollo de centros de investigación de la UNL y el CONICET, a la vez que un
muy buen presente.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA Y POLO PETROQUIMICO CERCANO
http://www.ing.unlp.edu.ar/dquimica
En las Universidad de La Plata, la Carrera de Ingeniería Química tuvo el apoyo inicial de los
Químicos Industriales de la Facultad de Ciencias Exactas, pero se estableció en el
Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería. Con el continuo respaldo de
la Facultad de Ciencias Exactas para las asignaturas básicas de Química General, Orgánica,
Analítica, Fisicoquímica, e Ingeniería Bioquímica, el Departamento de Ingeniería Química de la
Facultad de Ingeniería de la UNLP permitió, desde aproximadamente 1950, la graduación de
cerca de 1000 ingenieros químicos. Se desarrollaron asignaturas propias como, entre otras,
fenómenos de transporte, ingeniería de las operaciones físicas, termodinámica para ingenieros
químicos, simulación de procesos, ingeniería de las reacciones químicas, electroquímica y
optimización de procesos. También enriquece el proceso de enseñanza aprendizaje la
condición de docentes/investigadores de buena parte de su plantel docente, quienes investigan
en institutos cercanos, y la experiencia en “know how” de aquellos que trabajan en la industria.
Los ingenieros químicos de la UNLP han trabajado en la cercana Destilería La Plata (DLP) de
Yacimientos Petrolíferos Fiscales (hoy Repsol-YPF), en el Polo Petroquímico creado contiguo
a la DLP, como la ex- Petroquímica General Mosconi (Benceno Tolueno Xilenos y aditivos
antidetonantes), Maleic (Anhídrido Maleico), Polibutenos (Poliisobutileno) Petroken
(Polipropileno y otros), y en industrias químicas (como ATANOR) y de alimentos (Molinos Río
de La Plata, ARCOR, Productos de maíz, etc) de todo el país, además de las farmacéuticas
(Bagó, Abbot, Roemmers, etc). Varios de sus docentes han escrito libros y apuntes sobre
Fenómenos de Transporte, Diseño de Reactores Químicos, Programación de Computadoras
para Simulación de Procesos, Termodinámica de sistemas multicomponentes, Control de
Procesos, Evaluación Económica de Proyectos, entre otros. También se ha desarrollado la
Electroquímica, para comprender la fabricación de productos como el aluminio, entender y
prevenir los mecanismos de la corrosión de metales, y estudiar la electroprotección de
superficies, entre muchas otras aplicaciones. Actualmente la carrera presenta las orientaciones
de procesos, alimentos y ambiental, que se imparte entre el 9 y 10º semestres.
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En círculo rojo se muestra la ex- Petroquímica General Mosconi, hoy parte del complejo Repsol YPF
(http://www.ipqa.org.ar/momentaneas/IPA_CONACA_2003.pdf)
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INGENIERIA QUIMICA EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR
PETROQUIMICO DE BAHIA BLANCA (Información del sitio www.cpibb.com.ar)
Y
POLO
http://www.uns.edu.ar/departamentos/index.asp?dependen=19
En la Universidad Nacional del Sur, con sede en Bahía Blanca, se ha formado hace ya más de
tres décadas un Departamento de Ingeniería Química importante. Su desarrollo fue promovido
por la creación del Polo Petroquímico de Bahía Blanca. Simultáneamente a su desarrollo en el
área de procesos, fue alcanzando también un importante predicamento en el área de
Alimentos, especialmente en los aspectos de diseño y optimización de procesos de
conservación.
El Complejo Petroquímico de Bahía Blanca se originó en 1968, como un proyecto de la
empresa norteamericana DOW CHEMICAL. Surgieron diversas alternativas pero ninguna de
ellas prosperó hasta el nacimiento de PETROQUIMICA BAHIA BLANCA (PBB), una empresa
con mayoría estatal, que se puso en marcha a comienzos de la década del '70. La misma fue
creada por ley 19334, dictada por el Gobierno nacional el 3 de Abril de 1971. En la nueva
empresa, el 51 % de las acciones se distribuyó por partes iguales entre YPF, Gas del Estado y
Fabricaciones Militares. El resto quedó en manos privadas: IPAKO, INDUPA, ELECTROCLOR,
CIDASA, SITOH e ISAURA.
Varios años más tarde se encomendó a Fabricaciones Militares la construcción del
complejo y la responsabilidad de constituir la sociedad anónima cuyo capital se compartiría con
compañías estatales y del sector privado. En la década del ´90 se producen importantes
cambios a partir de que el Estado decidió dejar todo el complejo en manos privadas. Esto se
realizó a través de una licitación llevada a cabo a fines del año 1995. La elección de Bahía
Blanca como punto para la localización de este complejo, se basó en los siguientes factores:
La disponibilidad de gas etano en General Daniel Cerri, localidad situada a 10 Km del
complejo. En ese punto confluyen los gasoductos Sur y Oeste que provienen de las cuencas
Austral y Neuquén y las mayores reservas gasíferas del país. De esta forma el polo se asegura
el pasaje diario de 18 millones de metros cúbicos de gas natural, con contenido de etano,
propano, butano y gasolina natural. La presencia de salinas cercanas que garantizan la
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disponibilidad de cloruro de sodio, materia prima requerida para la producción de cloro. Acceso
a dos puertos marítimos de importancia, como Puerto Galván e Ing. White. Acceso a redes
viales y ferroviarias .Disponibilidad de servicios esenciales como energía eléctrica, gas natural
y agua, a lo que se agrega la proximidad a Bahía Blanca.
La Planta de la empresa Profértil http://www.profertil.com.ar/, ubicada en la entrada de la
ciudad de Bahía Blanca, produce amoníaco a partir de N2 extraído del aire atmosférico y de H2
obtenido por reformado de gas natural. El amoníaco producido, a su vez, se utiliza como
materia prima para la fabricación del fertilizante nitrogenado Urea, que Profértil vende
granulada por ser menos higroscópica y adaptarse a las condiciones húmedas de la zona
pampeana argentina.
Imagen de la planta de Profértil tomada de http://www.lanacion.com.ar/nota.asp?nota_id=928696 del 22 de junio de
2007. Los galpones almacenan urea granulada.
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INGENIERIA QUIMICA EN LA UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
La Universidad Nacional de Buenos Aires ofrece la Carrera de Ingeniería Química desde hace
décadas, situando su Departamento de Ingeniería Química en el “Pabellón de Industrias”,
ubicado en Núñez, dentro del Campus de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.
Recientemente, un investigador del Laboratorio de Procesos Catalíticos de esa Universidad,
que se había graduado en la Universidad Nacional de La Plata, desarrolló un método para
obtener hidrógeno de alta pureza a partir de bioetanol.
El artículo del diario La Nación es (www.lanacion.com.ar), en su edición digital del 3 de
diciembre de 2005, indica
Feria de Hannover
Premian en Alemania un desarrollo argentino. Es un conversor de alcohol en hidrógeno
La Feria de Hannover es la mayor exhibición anual de tecnología del mundo, y se dice que en
ella se cierran contratos archimillonarios entre investigadores y empresas. Allí estará en marzo
de 2006 el doctor Miguel Laborde y su equipo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de
Buenos Aires (UBA), que ganó ayer el premio Hydrogen Ambassadors por haber desarrollado
un sistema que convierte alcohol vegetal en hidrógeno de alta pureza.
El premio Hydrogen Ambassadors existe en la feria desde hace 12 años. Cada año compiten
por él cientos de equipos de investigación y desarrollo. Los pocos premiados pueden exhibir
gratis su trabajo en la gigantesca feria. La nómina de premiados de este año, entre los equipos
de los países que apuestan fuerte al hidrógeno, incluye una sorpresa: un desarrollo argentino.
El desarrollo de Laborde, en el que colaboró el Ingar de Santa Fe, podría colaborar con el uso
del hidrógeno como combustible. El año pasado, con mediación de la Fundación Innova-T,
parte de esta tecnología fue transferida por 400.000 dólares a la multinacional química
Abengoa. Pocos meses después, Laborde ganó un primer premio en otra competencia de
proyectos energéticos limpios, organizado por la multinacional Hydro-Québec. El nuevo
galardón tiene entonces una continuidad.
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Una solución sencilla
El llamado "conversor Laborde" elimina el principal problema del hidrógeno como combustible
vehicular, que es su almacenamiento. Una alternativa es comprimirlo a 800 atmósferas para
lograr apenas el rendimiento del GNC comprimido a 200 atmósferas. Otra alternativa es
licuarlo, pero como hay que bajar la temperatura del gas a menos de 260° bajo cero, se pierde
hasta un tercio de la energía del hidrógeno en el proceso.
Con el conversor Laborde, la solución es mucho más sencilla: se carga alcohol común en el
tanque, y el conversor lo transforma en hidrógeno a bordo, a medida que el motor (una pila
combustible) lo demande.
Otro aspecto del conversor Laborde es que consta de tres etapas catalíticas, y el producto de
la primera es una mezcla de gases llamada "gas de síntesis", la materia prima de casi todos los
procesos petroquímicos, de modo que el sistema no sólo permitiría adelantar la llegada de los
vehículos de hidrógeno, sino que también podría abrir paso a una alcoquímica -o petroquímica
sin petróleo-, basada en el alcohol vegetal.
La cosecha de premios y atención internacional que va creando el conversor Laborde es buena
noticia para un país que, como la Argentina, tiene el maíz más barato del mundo para fabricar
alcohol y reservas de petróleo y gas que se extinguirán en 2014. Con la tecnología automotriz
actual, el campo puede fabricar alcohol para que el país no se pare. Con la de mañana y este
desarrollo de la UBA, podrá fabricar un combustible aún más limpio: hidrógeno.
Daniel Arias
-ANEXO 1. Refinación y separación del petróleo
(Fuente, Instituto Argentino del Petróleo y el Gas (IAPG))
-ANEXO 2. La República Argentina y su Industria Petroquímica
(Fuente, Instituto Petroquímico Argentino)
-ANEXO 3. Panorama de la Industria Química y Petroquímica de Argentina
(Fuente, Cámara de la Industria Química y Petroquímica)
Acceda a los anexos desde los links ↑
BIBLIOGRAFIA UTILZADA (entre otras)
-Bidner, M.S. (1979). La Ingeniería Química y la Industria Química de Procesos. Centro de
Estudiantes de Ingeniería de La Plata
-Felder, R.M.; Rousseau, R.W. (2004) Principios Elementales de los Procesos Químicos.
3º Edición, México: Limusa Wiley, 686 pp.
-Clark, J. (2008) www.chemguide.co.uk
-Giner, S.A. (2008) Notas sobre el Procesamiento de Maíz. Maestría en Tecnología e Higiene
de los Alimentos, UNLP.
-Himmelblau, D M y Riggs, J B. (2004) Basic Principles and Calculations in Chemical
Engineering. Seventh Edition, Prentice Hall, New Jersey, 115 pp.
-Himmelblau, D M (2007). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química, 6º Ed.
Pearson, Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., México, 728 pp.
-Mascheroni, R.H. (2008) Clases teóricas de Simulación de Procesos I y II. Area Departamental
Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, UNLP.
Perry, R.H. (2001). Manual del Ingeniero Químico. Cuatro tomos. Mc-Graw Hill Int. de España
-Vian Ortuño, A. (1999). Introducción a la Química Industrial, 2º Ed. Reverté, Barcelona.
Sitos de Internet
www.chemguide.co.uk, www.cheresources.com, http://www.iapg.org.ar/,
http://www.ipqa.org.ar/, http://www.ciqyp.org.ar/templates/default/index.php
http://www.ingenieriaquimica.org/, http://www.aaiq.org.ar/, http://www.aiche.org,
www.icheme.org, http://www.cafagda.com.ar/.
------------------------------------0----------------------------LA CATEDRA, julio de 2008
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