1. INTRODUCCION BALANCE DE MATERIA MATE RIA Y ENERGIA
Una de tantas definiciones sobre Ingeniería Química es la siguiente: ³Aplicación conjunta de las Ciencias Física, Química y Matemática con principios económicos y de Relaciones Humanas, para el estudio de los procesos en los cuales la materia es transformada t ransformada para obtener un producto producto útil al hombre.´ Esta definición trata de enfatizar la necesidad nec esidad que tiene el ser humano de conocer la materia y su entorno física y químicamente, q uímicamente, con el objetivo de poder reproducir sus cambios mediante la experimentación física o matem ática, dándole importancia a la representación de los fenómenos o procesos que s e llevan a cabo con la materia y que derivan en un mejor nivel de vida. La experimentación matemática conlleva a representar los fenómenos o procesos a través de Ecuaciones Matemáticas que sean obtenidas de la aplicación de los princi principios, pios, leyes, reglas, etc. correspondientes corr espondientes a las Ciencias Física y Química. La capacidad de poder reproducir mediante la resolución de ec uaciones un fenómeno exige un conocimiento profundo de cómo se comporta la materi a, comportamiento que es cuantificado cuantificado por sus propiedades Físicas y Químicas para cualquier condición. Condición que será a su vez controlada mediante variables que externamente puedan ser modificadas. El experimentar con un Modelo Matemático para representar el desarrollo de un Fenómeno o proceso es lo que se conoce como Simulación Simulación Matemática de Procesos. La reproducción de un proceso transformando la materia en pequeñas cantidades utilizando equipo de Laboratorio o en e n mayor cantidad utilizando equipos que son modelos modelos a escala (Planta Pilot o) de lo que sería un equipo industrial, se le conoce como Simulación Física de Procesos. Cuando un Fenómeno o Proceso puede ser reproducido r eproducido,, es posible manipular las variables externas que modifican su comportamiento, para determinar en qué condiciones podría ser más económica esta transformación tr ansformación o para determinar en qué condiciones sería menos riesgosa rie sgosa o produciría menos efectos a la ecología.
La Ingeniería Química siempre si empre antepone el bienestar del ser se r humano tratando tratando de preservar la naturaleza para buscar las condiciones más económicas en la búsqueda de beneficios globales. El siguiente esquema representa represent a de manera generalizada la función de la Ingeniería Química, la cual debe ser s er aceptada como una disciplina que pone al servicio del hombre las Ciencias relacionadas re lacionadas con la transformación de la materia y la Matemática. La naturaleza será observada tratanto de inferir infer ir qué variables externas ( variables que el ser humano pueda controlar) influyen sensiblemente en la realización de un fenómeno. La Ingeniería Química ha crecido y se ha consolidado como un disciplina debido debido a este enfoque, y que debe seguirse fomentando a pesar pe sar de que mucho esté creado, afortunadamente el creciente desarrollo tenológico pone también a disposición del hombre nuevas herramientas para estudiar e inferir de la naturaleza con más exactitud y precisión sus efectos y propiedades. Existen dos corrientes importantes cuando se enseña Ingeniería Ingeni ería Química y que son completamente opuestas, una cuyo objetivo objetivo principal es crear cr ear usuarios de tecnología, en la cual la enseñanza (más informativa) se transforma en una enseñanza algorítmica, la cual pretende que el alumno sepa resolver problemas (³concepto mecánico´), aprenda procedimientos y llegar a la conclusión de que un problema se resuelve de cierta ci erta manera, encasillada a tal y como lo resolvió al que primero se le ocurrió, ocurr ió, esto ha conducido a mitos tales como ³ Un buen Ingeniero es el utiliza lo que ya está hecho´, aprenden a usar lo que existe y pierden la capacidad de crear, proponer otras soluciones. Esta línea de enseñanza está est á encaminada a fomentar nuestra dependencia, inhibiendo el que la Universidad sea creadora de su propia ciencia e inicie su despegue como institución educativa importante. La dependencia educativa se deriva en dependencia tecnológica, la cual ha sido el principal fre no en el desarrollo industrial del país. La segunda corriente dirigida a habilitar y capacitar a los estudiantes para que puedan ser creadores de ciencia y tecnología, te cnología, estos acorde con el método científico se les prepara para estudiar la naturaleza, tratar tr atar de reproducir los fenómenos naturales y proponer sus propias soluciones de los problemas relacionados con el tratamiento de modelos, hacer que el alumno piense más en cómo reproducir un fenómeno, cómo resolver los problemas matemáticos que
surjan en este proceso, que utilicen las tres ciencias Física, Química y Matemática para fomentar el desarrollo científico en nuestras universidades y en el país, que sean creadores y no usuarios. Aprender para crear, ser creadores. El que es buen creador será muy buen usuario. La corriente de formación de usuarios es lo que limita el desarrollo de una institución educativa. Un buen usuario podrá reconocerse con sus expresiones tales como : ² Así es como se resuelve el problema (el así implica reconocer un solo camino). ² Así no se hace. ² ¿Por qué no utilizas lo que ya existe? Comentario desafortunado cuando alguien está intentando resolver a su manera un problema. Muchos problemas pueden presentar diversas soluciones, cuando se analiza un proceso, si sus objetivos están muy claros y entre mayor se a el número de objetivos van disminuyendo los grados de libertad que harán que una solución sea aceptable; en muchos procesos no están claros todos los objetivos y esto hace que aún tengan grados de libertad para posibles soluciones, pero esto no implica de qué manera resolverlo, el cómo hacerlo?
2. SIMULACIÓN DE PROCESOS Evidentemente, un área importantísima dentro de la Ingeniería Química es la
Simulación de procesos, ya sea para crear nuevos procesos, para modificar procesos existentes o simplemente para utilizar procesos existentes. En los cursos de Ingeniería Química es fácil perderse con el concepto de simulación y que incluso la asignatura identificada como simulación de procesos se imparta con las características de formar usuarios. Se enseña al alumno a utilizar simuladores y no a crear sus propios simuladores, cuando un auxiliar importantísimo en el aprendizaje sea que el alumno elabore uno propio ya que esto lo obliga a que estudie profundamente el fenómeno que desea reproducir, que conozca las leyes y principios que rijan el comportamiento de tal fenómeno, que se familiarice más con la Ingeniería Química. Tendrá tiempo para que si lo desea llegue a ser un excelente usuario de cualquier simulador y de los cuales existen disponibles en el mercado computacional, para usuarios con distintos niveles de adiestramiento en una amplia gama de presentaciones y métodos. Un estudiante de Ingeniería debe comprender que lo fundamental es que debe saber cómo realizar, cómo crear. Ya durante su ejercicio profesional podrá llegar a ser el mejor usuario de algo y estará compitiendo con todos los que disfrutan y se sienten realizados por ser los mejores en el uso de algo. Toda la tecnología computacional actual y en desarrollo está dirigido para afianzar y hacer crecer a esta clase social que será la que finalmente sostenga a los creadores. Generalidades sobre Simulación : Simulación de procesos : Experimentación con un Modelo Matemático o un Modelo Físico para reproducir un fenómeno natural en un medio controlado. Un fenómeno Natural será cualquier cambio Físico o cualquier cambio Químico (uno sólo) que sufra la materia. Proceso : Conjunto de fenómenos; conjunto de cambios físicos y/o químicos, los cuales se realizan en serie o en paralelo para incidir en el cambio final. La materia antes de ser transformada puede denominársele Materia Prima y después de la transformación Producto.
El Ingeniero Químico tendrá como labor importante el desarrollar procesos para que la materia se transforme en producto, el cual poseerá ciertas características para ser muy bien aceptado por el hombre. Planeará a qué fenómenos físicos o químicos, en serie o en paralelo, so mete a la materia prima para que se transforme a producto. La posibilidad de disponer de información y capacidad de reproducción de fenómenos aislados y de los efectos de sus interacciones le permitirá diseñar procesos en los cuales, cada cambio pueda analizarlo por separado para simplificar su estudio. La posibilidad de reproducir cada fenómeno aislado le permitirá diseñ ar procesos en los cuales reproduzca varios fenómenos simultáneamente o uno tras otro (paralelo o en serie) para cuantificar el efecto g lobal sobre la materia prima, de tal manera que podrá planear cómo especificar las condiciones que sean más apropiadas para ciertos objetivos en la obtención del producto. De manera que el estudio aislado de fenómenos aislados actuando sobre la materia en realidad tienen significado cuando se integran como un conjunto de fenómenos y conforman un proceso. El Ingeniero Químico realiza análisis de procesos, estudia el conjunto de fenómenos de una transformación global y trata de reproducirlo, esto lo hará s i conoce el comportamiento de cada fenómeno aislado que participa en el proceso. Toda esta labor cristalizará en la construcción de la planta química en la cual industrialmente se reproduzca el proceso y se inicie la producción del producto que será distribuido al consumidor final o intemedio. La reproducción de fenómenos aislados y su integración en una red en serie o paralelo con otros fenómenos es parte de lo que se ha denominado Simulación de procesos y hace posible el analizar la interacción de distintos f enómenos ordenados de múltiples maneras para estudiar el efecto de las variables que afectan de manera importante el desarrollo del proceso y que se ha denominado estudio de Sensibilidad con el fin de determinar en qué condiciones un proceso ofrece : Mayor seguridad operativa, es más rentable, genera más beneficios sociales, etc. Con el objetivo de simular un proceso se requiere el disponer de un modelo con el que se experimente, modelo que puede ser matemático. Estará conformado
por un conjunto de ecuaciones y restricciones con las cuales se estarán representando cada uno de los fenómenos y sus interacciones y el resolver las ecuaciones equivale a la reproducción del fenómeno. O en su defecto, a nivel Laboratorio o en nivel Planta piloto, se utilizan modelos a escala de equipos o recipientes en los cuales se reproducirán los fenómenos, la reproducción será real tal y como se lleva en la naturaleza, pero su objetivo es obtener información para planear su reproducción industrial. El f enómeno transcurre realmente y se observa para, nuevamente determinar cuáles son las variables importantes que tánto controlan al proceso. Esta simulación física resulta más cara que la simulación matemática pero es necesaria cuando aún no se dispone de información suficien te para ciertos fenómenos.
3.
DISEÑO EXPERIMENTAL
El diseño de un experimento tiene como objetivos lograr un acercamiento a un proceso para planear su reproducción, es una etapa que puede ser muy tardada o consumir poco tiempo dependiendo de lo complejo del proceso y de q ué registros históricos existan de él. Los registros históricos pueden estar representados por leyes, principios, reglas, simples relaciones, etc. de investigadores predecesores que, quizá con los mismos objetivos o con otros objetivos distintos, hayan recopilado información que conduce a un conocimiento superficial o completo de este proceso. Dependiendo de la información histórica disponible así será el diseño experimental que se planea y que en muchos casos tenderá a ser un diseño evolutivo, que irá avanzando hacia la reproducción del proceso conforme se vayan desarrollando experimentaciones y recopilando información. Si el nivel de acercamiento al proceso es elevado, entonces podrá ser preferible una experimentación con Modelos Matemáticos ya que producirá información confiable sobre la reproducción del proceso y sobre diseño a nivel industrial. Si no hay información tendrá que recorrerse esa trayectoria para crear información histórica simultáneamente que se planea su r eproducción industrial. De tal manera que el diseño experimental tendrá respuestas predefinidas en función de los registros históricos e inicialmente conducirá a una experimentación con un Modelo Físico o a una experimentación con un Modelo Matemático. Los objetivos de reproducción de los fenómenos ímplicitos conducirán a en cierto momento, identificar las variables que controlan el cada fenómeno y qué sensibilidad manifiestan tales fenómenos frente a estas variables. Conforme el acercamiento aumente, se llegará a diseñar la rep roducción describiendo qué variables deberán manipularse externamente y en consecuencia qué tipo de controladores se requieren para que el proceso logre ser modificado, de igual manera que, al estar más claros los objetivos de reproducción se logrará identificar cómo responde el fenómeno y qué mediciones físicas deben realizarse para conocer su grado de avance. De tal manera que el dilema, ¿ Qué tipo de simulación se realiza ? está previamente resuelto.
En la mayoría de los procesos actuales el Ingeniero Químico posee suficiente información histórica para planear la reproducción matemática de un proceso. Posee información sobre el desarrollo de fenómenos aislados y dispone de técnicas matemáticas para analizar la interacción entre fenómenos, tales como la Programación Dinámica. Hay información para que formule (proponga) modelos que representen los diferentes fenómenos de un proceso y dispone de herramientas matemáticas que le facilitan el obtener soluciones de tales modelos. Un analista de procesos actual puede ser visualizado como una persona que frente a una computadora está creando simuladores (creador), o bien frente a la computadora, sin conocer el cómo está construido un simulador es capaz de utilizarlo adecuadamente (teniendo él la confianza de que las r espuestas del simulador son correctas) o bien puede ser visualizado como una persona que trabajando en un laboratorio en una Plan Piloto está reproduciendo fenómenos para obtener información directa. El que construye simuladores obtiene un conocimie nto completo sobre leyes, principios, reglas, etc. que rigen el desarrollo de un fenómeno. El que usa un simulador confía en el buen juicio del creador del simulador quien supuestamente ya aplicó estas leyes, principios, reglas, etc. En última instancia el que se va transformando en experto analista de procesos es el que crea simuladores, de igual manera que el que en Planta Piloto está observando está infieriendo cómo se realizan las transformaciones en un proceso.
4.
INDUSTRIA DE PROCESOS QUÍMICOS
En nuestra vida diaria hay una interacción constante con los diversos productos creados por la industria de Procesos Químicos, muchos productos que han mejorado la calidad de vida del ser humano, los cuales al empezar a existir se transformaron en productos necesarios para la vida diaria del hombre. Los productos de la industria de procesos químicos están presentes en todas partes, En el hogar En la escuela En el trabajo En centros de diversión En el transporte de un lugar a otro En comunicación Etc. De tal manera que así como se puede hablar de insecticidas, fertilizantes, alimentos, complementos de alimentos, vestido, calzado, combustibles, plásticos, metales que son utilizados directamente por el consumidor, también se puede hablar de esos mismos productos cuyo uso es como producto intermedio o como componentes de otros productos los cuales han permitido que la tecnología se desarrolle aceleradamente en electrónica y la cibernética las que a su vez han favorecido el desarrollo de la medicina, se guridad social, transporte, etc., formándose un ciclo de elaboración de productos que promueven la creación de otros, en un proceso interminable de aplicación de la Ingeniería Química. La industria de procesos químicos al participar como proveedora importante de productos de bienestar social, será también promotora de los cambios sociales; el ejemplo es el surgimiento de grupos ecológicos que tienden a normar que el desarrollo industrial no se dé con libertinaje y que se logre el re speto del hombre por el hombre mismo. ¿ QUÉ ES LA INDUSTRIA DE PROCESOS QUÍMICOS ? Cualquier definición que se dé será incompleta. Muchos procesos de la industria química involucran cambios químicos que podrían interpretarse como reacciones químicas, pero muchos procesos involucran cambios físicos, tales como la separación y purificaciónl de los componentes de una mezcla. Cambios exclusivamente mecánicos no son considerados parte de procesos químicos, a menos que éstos sean esenciales para un cambio químico posterior.
La manufactura del plástico Polietileno, utilizando etileno obtenido del petróleo o del gas natural, es un proceso químico, en cambio el moldeo y fabricación del plástico que finalmente llega al consumidor podría no ser considerado como parte de un proceso químico. Algunas otras industrias, aún cuando dependan de cambios químicos, no son consideradas como parte de la industria de procesos químicos; esto puede ser por tradición, que un proceso sea especial y sea reconocida con cierto nombre o bien debido al gran volumen de producción, tal como la industria de papel o del acero. Muchos procesos químicos complejos en la industria de alimentos, por ejemplo la fabricación de quesos involucra reacciones de fermentación pero no se considera como parte de la industria de procesos químicos. En cambio, la fermentación de azúcar para producir bebidas y alcoholes industriales si es considerada parte de la industria de procesos químicos. La gran industria metalúrgica se separa de la industria de procesos químicos debido a la naturaleza especial de sus procesos y a la gran cantidad de sus productos, pero en realidad los procesos sobre minerales y metales puede ser considerado como una rama de la industria de procesos químicos. Industrias de Procesos Químicos Parte de una posible lista de procesos importantes es la siguiente : Industria Productos típicos Usos Químicos Inorgánicos Acido sulfúrico Fertilizantes, Químicos, Refinación del petróleo, Pigmentos y Pinturas, Procesado de Metales, Explosivos, etc. Acido Nítrico Explosivos, Fertilizantes Hidróxido de sodio Químicos, Rayon y procesamiento de películas, Refinación del petróleo, Procesamiento de pulpa y Papel, lejía, limpiadores, jabones , procesamiento de metales Químicos inorgánicos Anhídrido acético Rayón, resinas y plásticos Etilen glicol Anticongelantes, Celofán, dinamita, Fibras sintéticas Formaldehido Plásticos Metanol Producción de formaldehido, anticongelante, Solvente Petróleo y Petroquímicos Gasolina Combustible para motores y automotores Queroseno (Kerosene, Kerosén) Combustible para aviones Aceites Lubricantes, medios de calentamiento Amoníaco Fertilizantes, Químicos Alcohol etílico Producción de acetaldehido, solvente, Químico s Sulfonato de alquil arilo Detergente Estireno Hule sintético, plástico Pulpa y Papel Papel Libros, periódicos, registros, etc. Cartón Cajas, empaques, etc. Fibra de madera Material de construcción Pigmentos y pinturas Oxido de zinc
Dióxido de titanio Carbón negro Pigmentos para pinturas, tinta, plásticos, hules, caucho, cerámica, linoleo Cromato de plomo Aceite de semillas Aceites secantes Resinas fenólicas Lacas, barnices, esmaltes Resina alquídica Hules, goma,caucho Hule natural (isopreno) Llantas para vehículos en general, Hule sintético (GR-S, Neopreno,butilo) moldeado y laminado (usos diversos), Zapatos, aisladores eléctricos, etc. Plásticos Formaldehido fenólico Varios usos en diversas áreas, para la elaboración de productos plásticos y otros Poliestir eno Metacrilato de poli etilo Cloruro de polivinilo Polietileno Poliesteres Fibras sintéticas Rayón Telas, vestidos, recubrimientos Nylon Poliesteres Acrílicos Minerales Vidrios, cerámica, cemento Ventanas, contenedores, ladrillo, concreto, etc. Agentes limpiadores Carbón Limpiadores domésticos e industriales Jabones Detergentes sintéticos (Alkil-aril sulfonato de sodio) Agentes humectantes Bioquímicos Productos farmacéuticos y drogas Aplicación general en medicamentos Productos de fermentación: Penicilina Usos medicinales (antibiótico) Alcohol etílico Solvente y bebidas Productos alimenticios Sustento humano Metales Acero Materiales de construcción, fabricación de maquinaria, infinidad de usos Cobre Aluminio Zirconio Uranio Combustible nuclear Esta tabla puede ampliarse para incluir todos los productos que insiden en nuestra vida diaria y conforme avanza la tecnología ya que surgen constantemente más aplicaciones y más derivados de productos que permiten a su vez obtener otros productos.
. ¿CÓMO HA SURGIDO ESTA LA INDUSTRIA ACTUAL DE PROCESOS QUÍMICOS? 5
Su estructura refleja la aplicación de las Ciencias Química y Física que han s ido puestas al servicio del hombre por grandes investigadores que han logrado que el hombre tenga un acercamiento a los fenómenos naturales, actitud manifiesta en la divulgación del Método Científico. Queremos crear, interpretemos los fenómenos con el afán de repoducirlos en medios controlados y formar parte de los que van formando el camino para que el ser humano y la sociedad en su conjunto avance. Deseamos utilizar lo que existe para nuestro bienestar, entonces basta con transformarnos en técnicos ³usuarios consumados´ y siempre estar en espera de que surja algo nuevo para que nuevamente aprendamos a usar en un círculo inhibitorio de la libertad humana de conocer el mundo que lo rodea. Ud. Conocerá muchos productos que no están integrados en la tabla anterior, esta tabla es una parte muy reducida, inclusive se mencion an ciertos productos como intermediarios para la fabricación de químicos con lo cual se pret ende englobar infinidad de aplicaciones. Los productos primarios del petróleo son gasolina, otros combustibles, lubricantes y petroquímicos. Desde la segunda guerra mundial la petroquímica asumió un papel muy
importanes en la economía americana.
Productos orgánicos elaborados a partir de componentes del petróleo o del gal natural abundaron en esta época, aunque paradójicamente, la más grande producción de la petroquímica es el amoníaco el cual es un producto in orgánico y que es obtenido por la reacción del hidrógeno del gas natural o petróleo, con el oxígeno del aire; su uso es como fertilizante y como materia prima para la elaboración de otros productos.
Muchos plásticos tales como el polietileno y polipropileno se obtienen a partir del gas natural o del petróleo al igual que muchos detergente sintéticos. El petróleo, sus refinerías, sus instalaciones que permiten la extr acción de este producto natural son tan importantes en el desarrollo de un país que tiene la fortuna de poseerlos.
³Industria de Procesos Químicos : Una industria cuyos principales productos son obtenidos mediante procesos basados en principios físicos y químicos para bienestar del ser humano´ Origen y desarrollo de la Industria de Procesos: La industria de procesos químicos data desde épocas prehistóricas cuando el hombre hizo sus primeros intentos por controlar el medio ambiente.
Su desarrollo puede ser dividido en dos períodos. El período precie ntífico el cual se extendió hasta finales del siglo dieciocho y que fue altamente empírico con poca compresión y poco interés por interpretar la parte de Química Básica ímplicita ya que el asombro por producir cosas era mayor; El período científico, los últimos 200 años en los cuales la industria q uímica ha logrado un avance fenomenal, basado en el conocimiento de los principios que sustentan cualquier cambio físico o químico. Período Precientífico de la Industria Química : La industria en este período se desarrollo más como un arte u oficio por gente no letrada y no existen registros escritos directamente por los que se dedicaban a estos oficios, hay algunos registros escritos por otras personas que al desconocer el oficio transcribían lo que lograban comprender del mismo. A partir del siglo XVI empiezan a existir registros escritos más apropiados para describir este período. Sin un conocimiento de los procesos químicos el prácticante de este oficio lo consideraba más un arte y mucha superstición, lo que condujo a que el progreso fuese lento y con mucha confusión.
Por ejemplo, en el siglo XVI el ³aceite de vitriolo´ (áci do sulfúrico) fue elaborado a partir vitriolo verde o del vitriolo azul ahora conocidos como sulfato ferroso y sulfato cúprico. El aceite de azufre fue elaborado quemando azufre, este último resultaba más caro que el primero (vitriolo) aún cuando ambos corresponden al ácido sulfúrico Probablemente el proceso químico más antiguo sea la f ermentación, en sus inicios era un oficio que se transmitía por tradición familiar. La f ermentación fue conocida por el hombre primitivo quizá por su fácil descubrimiento accidental. El ale (cerveza) es el licor más antiguo fermentado, data desde los egipcios 3000 años A.C.
La destilación se inició en la primera centuria y por el siglo XIII la destilación de licores fermentados para producir alcohol concentrado era muy común e n Europa.. La recuperación y uso de metales inició 4000 años a.c. Los primeros metales que se encontraron fueron el oro y la plata debido a que su presencia en la naturaleza es directamente en forma metálica y pueden ser reconocidos fácilmente. El primer metal que se extrajo de minerales fue el cobre, en egipto y mesopotamia 3500 años a.c., otros metales fueron estaño, plomo, zinc y fie rro; métodos de reconocimientos (ensayos) y fusión fueron muy bien desarrollados durante el siglo dieciseis. La temprana producción de fierro involucró el calentamiento de óxidos de minerales con carbón de madera para reducirlos. En ruinas de hornos romanos se han encontrado evidencias del uso de convección forzada (tiro inducido) para favorecer la combustión. El vidrio, el cemento y la cerámica fueron conocidos tempranamente, el primero cemento en ser conocido fue el de arcilla húmeda. Los egipcios utilizaron mezclas de yeso y los griegos mezclas de cal viva. Pocas mejoras se realizaron hasta que se descubrió el cemento Portland en el siglo XIX. La cerámica inicio con la producción de ladrillos y alfareria de barro (arcilla) unos 5000 años a.c., muy pronto se inició el uso de cerámica vidriada y de colores. La porcelana fue desarrollada en china en el siglo ocho o nueve. El vinagre (ácido acético diluido) fue conocido desde que fue elaborado en los procesos de oxidación de licores fermentados No existen refer encias históricas de ácidos minerales hasta el siglo catorce en que aparece el ácido nítrico el cual es producido calentando una mezcla de salitre (KNO3) y sulfato ferroso ,condensando el ácido nítrico destilado. La aprimera aplicación industrial del ácido nítrico es la separación del oro de minerales de plata, en el siglo dieciseis. El uso industrial del ácido sulfúrico es posterior y llega a ser importante a finales del siglo dieciocho cuando es utilizado para producir cloro que se utilizaría como blanqueador de ropa. El ácido clorhídrico es descubierto en el siglo diecisiete, a principios del siglo diecinueve se desarrolla el proceso Leblanc para producir soda ( Na 2 CO 3 ?) ,
proceso en el cual se producen grandes cantidades de ácido clorhídrico, llegando a ser este ácido el más económico y más ampliamente utilizado de este período. La producción de agentes limpiadores, en este período, incluía muchos materiales naturales tales como el álcali encontrado en las cenizas de la madera; verdaderos jabones fueron conocidos durante el siglo uno y probablemente fueron elaborados hirviendo cenizas con aceites naturales o grasa animal. La química de los jabones no fue entendida hasta principios del siglo diecinueve. Período Científico de la Industria Química : El progreso y desarrollo de la Industria Química fue muy lento debido al poco conocimiento de los principios físicos y químicos que soportaban los distintos procesos de transformación que ya estaban siendo utilizados. Los Químicos, que pudieron haber contribuido a un mejor entendimiento de los procesos, estaban más preocupados en intentar convertir metales en oro y e n encontrar el elixir de la vida. Los alquimistas fueron supersticiosos, misteriosos y algunos fraudulentos. A finales del siglo dieciocho en europa surgió mucho interés por los principios científicos de la Química que promovió un gran progreso en la industria química. El oxígeno fue descubierto por el farmacéutico sueco Carl Wilhelm Scheele en 1770±1773 e indendientemente también por el ministro inglés Joseph Priestley en 1774±1775. Simultáneamente el gran químico francés Antoine Lavoisier entendió y aclaró el papel del oxígeno en la combustión lo que le permitió refutar la teoría del flogisto tan popular en ese entonces. Lavoisier trabajó con cautela y mucho cuidado en oxidación y otros campos de la química que lo condujeron a proponer bases cuantitativas en las transformaciones. Reconoció que los compuestos orgánicos contenían carbono e hidrógeno y desarrolló métodos para su determinación. Después de la revolución francesa el aristócrata Lavoisier acusado por el nuevo gobierno republicano con obscuros cargos y fue guillotinado en 1794 a la edad de 51 años (así pagó su inclinación por la química). En este mismo año Joseph Priestley huyó de Inglaterra hacia Estados Unidos debido a las persecuciones de
caracteres religiosos y políticos que estaban provocando los conocimientos de los principios químicos sobre los fenómenos naturales. Entre 1803 y 1808 John Dalton, en Inglaterra, desarrolló su teoría atómica la cual contribuyó a explicar cómo los elementos se combinaban para fo rmar moléculas y en consecuencia, permitió analizar las reacciones sobre una base cuantitativa. Esta avalancha de conocimientos de la ciencia química condujo a mejorar y desarrollar nuevos procesos de transformación. Las principales industrias a principios del siglo diecinueve producían álcalis, ácidos y metales; la industria de productos químicos orgánicos empezó a desarrollarse después de 1850, aún cuando muchos productos naturales habían sido purificados durante sgilos, la falta de información y conoci mientos de química orgánica impedían la síntesis de tales compuestos. La celulosa fue tratada con ácido nítrico para producir explosivos de nitrocelulosa, los hules se introdujeron en el siglo diecinueve y fueron vulcanizados en 1840. El éter y el cloroformo fueron producidos en pequeña escala para utilizarlos como anestésicos. La química orgánica sintética aparece en 1828 cuando el químico alemán Friederick Wohler sintetizó la Urea (producto orgánico natural) a partir del compuesto inorgánico Cianato de Amonio. El trabajo de muchos grandes químicos alemanes y de William Perkin en Inglaterra condujeron a desarrollar la industria de colorante de anilina, l a primera industria en gran escala de un producto químico orgánico sintético. Perkin realizó su trabajo sobre tintes a la edad de diecinueve años en 1857 pero el gran desarrollo de la industria de tintes sintéticos se llevó a cabo en Alemania. La industria de drogas sintéticas también se desarrolló en Alemania después de 1880. Muchos intentos fueron hechos para sintetizar una droga que tuviese una acción similar a la quinina (producto natural ) para reducir la fiebre. Finalmente O. Fisher logró obtener la Kairina producto sintético de acción similar a la Quinina. Alemania prácticamente monopolizó las industrias del teñido y drogas sintéticas hasta la primera guerra mundial.
La gran Industria Química Americana La industria americana se desarrolló muy lentamente en la época de la colonia e incrementó su desarrollo después de su revolución. Esta industria creciente y en desarrollo se mantuvo dependiente de la manufactura de productos de la industria europea hasta la primera guerra mundial. Pocos productos, tales como alquitrán de madera, potasa, ladrillos, vidrio, fueron exportados de la colonia Jamestown en 1600. La industria americana estaba fuertemente regulada por leyes y restricciones Británicas hasta que logró su independencia después de su revolución y a partir de entonces s e expandió con todos los esfuerzo que confluyeron para que fuese una industria independiente de la industria Británica. El ácido sulfúrico fue producido en América en 1793 En 1802 llega a América un joven refugiado de la revolución francesa, Eleuthëre Irénée du Pont de Nemours, quien había aprendido a fabricar ex plosivos. Mientras que en Delaware un estudiante de Lavoisier establecía una fábrica de polvora. Tal como ocurrió en Europa, la naciente industria americana concentró sus esfuerzos en el procesamiento de productos naturales tales como azúcar, fibras textiles, carbón de piedra, en metales y en algunos químicos inorgánicos tales como alcalís, ácidos y agentes blanqueadores. Mucha de la química básica fue de origen europeo hasta inicios del siglo XX. En 1905 la ³American Leo Baekeland ³ desarrolló el primer plástico termofijo, un polímero del fenol-formaldehido conocido como Bakelita y que dio inicio a la gran industria mundial del plástico. En la Industria americana surge el impetú y necesidad de ser una industria autosuficiente durante la primera guerra m undial en que es bloqueada y cancelada su disponibilidad de químicos alemanes. La industria alemana era líder mundial hasta la primera guerra mundial, a partir de entonces la industria americana creció hasta llegar a dominar el mundo. La industria Química Actual
La industria actual en los Estados Unidos de Norte America es una r ed extensa y compleja de plantas de manufactura, fuentes de materia prima y facilidades de distribución que proveen al país y al mundo de miles de productos, muchos de los cuales eran desconocidos hace cien años. Para comprender el crecimiento y diversidad de la industria química, resulta interesante la historia de la compañía más grande y más antigua de los Estados Unidos de Norte America, La ³ E.I du Pont de Nemours & company´ En sus primeros 100 años ( inicia en 1802 ), únicamente produjo explosivos de diversas clases; en 1902 la compañía es vendida por los más viejos integrantes de la familia a un grupo de jovenes de du Pont, en 12 millones de dolares, el cambio de administración le dió impulsos y un gran crecimiento a e sta compañía, en los siguientes 9 años adquirieron 64 corporaciones que fabricaban explosivos y estaban por adquirir otras 69 más, pero acciones gubernamentales reguladoras del comercio obligaron a este consorcio a dividirse en dos corporaciones La Du Pont¶s industrial emplosives y Sporting Powders business (explosivos de uso industrial y pólvora para uso deportivo); de esta división surgen las dos compañías : Atlas Powder Company y Hercules Pwder Company, las cuales actualmente son independientes y producen una gran diversidad de productos químicos. En un intento por diversificar su producción la administración de la Du Pont crea un laboratorio de investigación en 1903 para investigar nuevos productos principalmente aquellos relacionados con la celulosa, la serie de investigaciones realizadas derivaron en la producción del plástico piroxilina celuloide (piroxilina algodón pólvora, celuloide substancia que se obtiene de una mezcla de alcanfor y algodón polvora) y en fabricas de abrigos. Por la falta de tintes y colorantes asi como de otros compuestos químicos alemanes, durante la primera guerra mundial, la Du Pont se muestra interés por tales productos. A finales de la guerra la compañía estaba produciendo plásticos de piroxilina, pinturas, otros recubrimientos de superficies, tintes sintéticos, otros químicos orgánicos además de explosivos. A partir de la primera guerra mundial la compañía se expandió rápidamente por el desarrollo de nuevos productos y la adquisición de muchas otras compañías. Du Pont primero produjo rayón (un desarrollo francés) en 1920 e introdujo la película de celulosa celofán en 1923. Después de muchos años de investigación,
en 1939, introdujo una fibra textil, el nylon sintético y p osteriormente el Dacrón fibra poliéster así como la fibra acrílica Orlón. Hoy en día sus plantas están esparcidas por todo los Estados Unidos y producen miles de productos. Similar a la Du Pont existen muchas otras compañías con historias de desarrollo y diversificación muy interesantes y que h an consolidado la gran Industria de Procesos Químicos. Dada la naturaleza de sus procesos muchas industrias resultan difícil de clasificarlas y como considerarlas como parte de la industria de procesos químicos. Así como la primera guerra mundial fue, a pesar de lo que represente, un impulsor de la Industria de Procesos así también la segunda guerra mundial, posterior a esta último hubo un reacomodo de potencias industriales, en l a que aún Estados Unidos continúa de líder, seguido por todas las potencias europeas (Alemania, Inglaterra, Francia, etc.) y Japón. Surgen las tecnologías nucleares y laser que han sido puestas al ser vicio del hombre. Con la fabricación de computadoras surge también otro reto tecnológico c uyos logros en los distintos países que se dedican a investigar han desarrollado mas la ciencia Física, al abocarse a la física del estado sólido, con el estudio de transistores, conductores, superconductores, de tal manera que estamos viviendo una época de cambios constantes, en busca de una mayor comodidad del ser humano. En su afán de expansión las distintas compañías (americanas, europeas, japonesas, etc.) han contruido plantas en distintas partes del mundo, haciendo que los países receptores también avancen en este sentido pero con una completa dependencia industrial y como el caso de México, sin intentos de tratar de disminuir esta dependencia. Eso ha derivado a que incluso en nuestras instituciones educativas exista una gran dependencia del exterior y se nos halla llevado a establec er como consumidores eternos de toda la creatividad extranjera. La industria de procesos químicos es la que promueve la creación de la disciplina que actualmente se conoce como Ingeniería Química; un Ingeniero Químico analiza, desarrolla procesos químicos. Análisis Sistemáticos de Procesos Químicos
Los primeros procesos químicos involucraban pocos pasos de transform ación, los materiales eran procesados en pequeños lotes, la mejora en los procesos se realizaban lentamente con base en la experiencia ganada por los operadores; conforme la demanda de productos químicos aumentaba y la inudstria de procesos crecía era necesario desarrollar procesos para producir grandes cantidades con el menor costo posible. Las mejoras basadas en la experiencia eran insuficientes fundamentalmente en los casos en que era necesario construir plantas para productos nuevos en el mercado. Los procesos químicos modernos son extremadamente complejos, las operaciones que los integran involucran cientos de piezas de equipos. Sin una aproximación sistemática a los procesos no sería posible analizar los ya existentes o diseñar uno nuevo, por eso los procesos químicos son analizados descomponiéndoles en pasos individuales, pasos que esen cialmente son los mismos en muchos otros procesos. Los principios generales de esos pasos (subprocesos) han sido estudiados cuidadosamente y la gran mayoría de ellos han sido bien comprendidos, dándoles base científica. Si los principios son conocidos, es posible diseñar los pasos o etapas de un proceso para lograr que estas se lleven a cabo con un máximo rendimiento, con alta eficiencia. Los procesos actualmente son analizados tomando en cuenta cinco consideraciones: Balances de Materia y Energía Termodinámica y Cinética Operaciones Unitarias y Reactores Químicos (procesos unitarios) Instrumentación y Control Económicas Aún cuando estas cinco consideraciones interaccionen entre sí, sus principios son estudiados individualmente de tal manera que serán consideradas cinco áreas de conocimientos necesarias para todo Ingeniero Químico. 1.- Balances de Materia y Energía Los principios de conservación de Masa y Energía establecen que ni la una ni la otra pueden ser creadas o destruídas, pero si pueden s er modificadas en sus formas. Estos principios constituyen la base para la Formulación de Modelos Matemáticos que representen al proceso que desea reproducirse II.- Termodinámica y Cinética
Se estudia la transformación de la energía de una forma a otra. Muchas conclusiones importantes pueden ser derivadas desde las dos l eyes fundamentales de la termondinámica. El balance de energía (primera ley) y la segunda ley que establece que en un proceso que involucra transferencia de calor, parte de la energía puede ser únicamente transferida de una región de temperatura alta hacia una región de temperatura baja. El análisis termodinámico de un proceso conduce a conclusiones concernientes con la factibilidad y eficiencia de los diversos pasos que integran un proceso. La termodinámica también permite determinar la composición de fases en equilibrio y para predecir la distribución de especies químicas en reacción que alcanzan el estado de equilibrio. La cinética predice la rapidez con la cual un compuesto químico reacciona. Datos sobre rapidez de reacción son necesarios para el diseño de r eactores químicos industriales. III.- Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios (r eactores químicos) Un proceso químico puede ser descompuesto en una serie de pasos individuales, cada uno de los cuales, únicamente involucra cambio físico o únicamente involucra cambio químico. Los cambios químicos son las reacciones químicas y se llevan a cabo diversos tipos de reactoes químicos industriales. Tales reactores pueden ser pequeños contenedores con agitadores o cientos de pies de tubo. El cálculo del tamaño de un reactor se hará con la información cinética y termodinámica así como los requerimientos de flujos y otros factores físicos que influyen en e l desplazamiento del fluido y en su mezclado. Los cambios físicos han sido ampliamente estudiados y clasificados como operaciones unitarias con sus leyes y principios que simplifican su evaluación y el cálculo del equipo que requieren para que se lleven a cabo; m encionamos algunas para disponer de un precedente que nos ayude a entender qué es l a Ingeniería Química. Transferencia de calor :
Muchas reacciones químicas para que se lleven a cabo más rápidamente y, en consecuencia requieran un menor recipiente o un menor tiempo de proceso, requieren de altas tempeturas de tal manera que los reactivo s deben ser precalentados antes de alimentarse al reactor, la operación unitaria Transferencia de Calor nos auxilia para diseñar apropiadamente el sistema de calentamiento que se requiera. De igual manera, muchas reacciones químicas por ser excesivamente exotérmicas requieren de un enfriamiento para evitar que la reacción derive en otros productos que contaminen o disminuyan la cantidad del producto deseado, o bien, para controlar la calidad misma del producto deseado. Nuevamente Transferencia de Calor nos provee de la metodología de análisis para cuantificar el sistema de enfriamiento requerido. Muchos procesos involucran vaporización o condensación de corrientes de procesos, qué equipo se requiere para este intercambio de energía térmica? En el estudio y reconocimiento de la operación unitaria Transferencia de Calor, se han establecido procedimientos para seleccionar intercambiadores de calor, condensadores, evaporadores, etc. y para cuantificar sus dimensiones físicas requeridas para un proceso específico. Flujo de Fluidos : Las exigencias de lograr alta producción de un producto ha llevado a transformar los procesos que se realizaban por lotes en procesos continuos, procesos que de manera permanente están siendo alimentados con materia prima y simultáneamente están descargando producto. Fue necesario comprender los principios de procesos que rigen el desplazamiento de un fluido (líquido o gas) en un ducto, así como de los equipos requeridos para que el fluido se desplaza. Actualmente el cálculo de bombas, compresores, turbinas, ventiladores, etc. es tan sistemático que la operación flujo de fluidos puede ser comprendida con una gran profundidad incluyendo los principios de fenómenos de transporte que están presentes. Existen infinidad de Operaciones Unitarias que pueden ser descritas en forma sencilla y conocer qué principios o leyes rigen a cada una de ellas. La técnica de descomposición de procesos favoreció el estudio de cada operación unitaria en forma individual y que permitiesen la integración
(síntesis) de procesos nuevos o ya conocidos, lo que derivó en ahorro de tiempo y esfuerzos en la construcción de plantas. IV.- Instrumentación y Control En todos proceso químico es necesario disponer de información instantánea sobre flujos, coposiciones, presiones y temperaturas en las distintas corrientes del proceso o en corrientes que por su interacción son cruciales en el desarrollo del proceso, te mal manera que el operador o el Ingeniero de Producción puedan describir cómo está funcionando el proceso si en determinado momento este funcionamiento es correcto, o cuando existen problemas de fallas detectar en dónde se encuentra localizada la falla. Existen instrumentos, que con base en la tecnología actual, dan respuestas instantáneas sobre el comportamiento de estas variable, actualmente la electrónica y la computación juegan un papel preponderante en la detección y registro de variables de procesos. Si alguna variable está funcionando muy cerca de su límite o saliendo del rango de valores para los que fue diseñado el proceso, debe haber algún disp ositivo que regule automática o manualmente el valor de tal variable, con lo cual el proceso estará llevando a cabo siempre dentro de rangos operacionales se guros. El uso de instrumentación y control hará posible el diseño de políticas óptimas operacionales que garanticen alta eficiencia, alto rendimiento y/o alta calidad del producto, así como la minimización de riesgos contra accidentes humanos. Actualmente todo el funcionamiento de plantas puede llevarse a cabo utilizando computadores que registran valores de variables y en caso necesario corrigen el valor, permitiendo que la operación de la planta sea automática y con poca interacción humana. Esto está en entredicho porque representa un recorte de personal humano que podría disponer de mayores fuentes de trabajos. Pero no necesariamente representa recorte sino adiestramiento para llevar a cabo otro tipo de actividades que estén relacionadas con la operación del sistema automático. Aunque muchos procesos de control automático han eliminado los requerimientos de ³lentos´ operadores humanos, es necesario aún disponer de muchos de ellos para que estén vigilando que la planta esté funcionamiendo apropiadamente.
El nivel de entrenamiento que se requiere es alto para reparar y dar mantenimiento a los sistemas de control. Entre más complejo sea e l sistema de control mayor es el riesgo de haya problemas de operación que impliquen que la planta pare. Las plantas químicas automatizadas son más caras de construir y requieren de un mayor grado de conocimiento por parte del Ingeniero de diseño y del Ingeniero de Operación. Aunque los principios de reactores químicos, operaciones unitarias e instrumentación y control se estudian de manera separada, en el diseño del proceso químico éstos están muy interrelacionados por eso es n ecesario considerar sus interacciones, para determinar el comportamiento global del proceso. V.- Económicos No importa que tan eficientemente se lleve a cabo un proceso para producir un producto final con alta pureza, el proceso constituirá una falla si no se puede vender el producto con cierta utilidad económica. Antes de que una planta química sea construida deben realizarse estudios de mercado para obtener información acerca de la demanda del producto y en qué precio podría ser vendido. Qué cantidad de producto podría ser vendida (volumen de producción), si se abatieran los costos en qué proporción incrementarían las ventas. La presencia de competidores actuales o potenciales debe s er evaluada, ya que implica riesgo de que una vez construida o funcionando la planta la competencia disminuya el volumen de ventas y en consecuencia el producto deje de ser atractivo económicamente. Conforme avanza el diseño de la planta, se va obteniendo más información sobre sus costos y es conveniente realizar estudios económicos para determinar el diseño más barato que produzca la misma cantidad de producto con un precio mínimo, esto será un grado de libertad crucial para el momento de las ventas. Si los costos de producción son suficientemente bajos en qué precio deberá venderse el producto para genere una utilidad atractiva? Si el producto genera utilidad y tiene demanda en el mercado, podría surgir un competidor que mejorando el proceso pudiese abatir costos y disminuir el
precio de venta, esto debilitará el acceso al mercado y podría provocar que la planta se declare en quiebra o entrar al juego de la competen cia realizando investigaciones para mejorar el proceso. Lo anterior implica que para productos muy atractivos debe haber una investigación permanente de cómo mejorar el proceso para abatir costo por el riesgo latente de la libre competencia, parte de la utilidad que genera el producto debe emplearse en estudios e investigaciones constantes. Un ejemplo de la incidencia de la alta competitividad en la mejor a de procesos lo constituye el alcohol etílico industrial, el cual antes de la segunda guerra era producido mediante la fermentación de azúcares naturales, actualmente un 90 por ciento del alcohol que se produce para uso industrial es producido a partir del petróleo o del gas natural, resultando mucho más caro el alcohol que se produce por fermentación y que actualmente, por su falta de competitividad únicamente se utiliza para fines medicinales o para elaborar alguna bebida. La visión de un Ingeniero Químico al diseñar o desarrollar un proceso debe ser primordialmente económica buscando qué rentabilidad podría implicar, aunque podrían haber otros objetivos que podrían ser importantes, aún así al diseñar el proceso siempre deben realizarse estudios económicos para que la planta que se construya corresponda a la menor costo posible. Los Diagramas de Flujo como un medio de representación de procesos Un reporte completo que contenga las especificaciones de un proceso químico, de nivel industrial medio, podría ocupar cientos de páginas las cuales incluirían diagramas, tablas y discusiones de los distintos aspectos de la planta incluyendo consideraciones químicas, mecánicas, eléctricas, metalúrgicas y de ingeniería civil para la construcción de la planta. Un Ingeniero para que comprenda en forma integral el diseño de un proceso deberá poseer mucha experiencia y entrenamiento. Una forma de visualizar un proceso para ir asimilando su estructura media nte análisis rápidos son los diagramas de flujos, que podrán ser r epresentaciones simplificadas del procesos mediante diagramas de bloques hasta lograr un gran complejidad en los verdaderos diagramas de flujos de procesos. Muchos de estos diagramas están dirigidos a una parte especial del proceso o para resaltar ciertos detalles y no son integrales.
Un Diagrama de Flujo típico muestra la mayoría de las operaciones unitarias y los reactores químicos con sus tuberías de interconección e identificadores del material que se está procesando. Los dibujos símbolicos de los equipos no se dibujan a escala, no es el propósito involucrar el orden de magnitud, el propósito es lograr un visión global del proceso de transformación de las interacciones parciales en cada equipo. Existe una simbología estandarizada y aceptada de manera general para la elaboración de diagramas de flujos en las distintas etapas de desarrollo y diseño de procesos. Un Ingeniero Químico que sea analista de procesos deberá conocer esta simbología ya que será parte de su vocabulario rutinaria y una forma de comunicación será a través de diagramas. Hablar de diagramas de bloques en los cuales cada equipo es representado por un simple bloque o rectángulo, de diagramas de flujos con símbolos estánd ares, diagramas tubería e instrumentación (DTI), planos de plantas, exigirá al Ingeniero un conocimiento previo de estos documentos. Con frecuencia deberá interpretar diagramas de flujos que muestren un proceso o partes de un proceso con sus interconexiones, instrumentación y control. La siguiente figura corresponde a una columna de destilación con su instrumentación y control, incluye detalles necesarios de visualizar para comprender mejor el proceso global. En la siguiente figura se incluyen algunos sím bolos de equipos y accesorios, se muestran las representaciones gráficas de una torre de destilación, un reactor químico, otros equipos correspondientes a otras operaciones unitarias. Muchos de estos símbolos corresponden a los estándares.