La descarga está en progreso. Por favor, espere

La descarga está en progreso. Por favor, espere

JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZ Departamento Académico de Procesos Facultad de Química e Ingeniería Química Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima, Perú

Presentaciones similares


Presentación del tema: "JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZ Departamento Académico de Procesos Facultad de Química e Ingeniería Química Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima, Perú"— Transcripción de la presentación:

1 JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZ Departamento Académico de Procesos Facultad de Química e Ingeniería Química Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima, Perú 2009 FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES FQIQ-UNMSM

2 CONTENIDO 1.Desarrollo Sostenible y Sostenibilidad. 2.¿Qué es un proceso industrial? 3.Fundamentos para el diseño de un proceso sostenible (proceso industrial sostenible). 4.Análisis de Casos. 5.¿Quiénes hacen posible que la operación de una planta industrial sea sostenible? 6.Taller 7.Conclusiones: Hacia Procesos Sostenibles.

3 1. DESARROLLO SOSTENIBLE Y SOSTENIBILIDAD

4 DESARROLLO SOSTENIBLE COMPONENTE SOCIO-CULTURAL COMPONENTE ECONÓMICO COMPONENTE AMBIENTAL Fuente: Mariana Loayza Bienestar socio – cultural - económico (y equidad) Materias primas para la producción industrial y sumidero de residuos y desechos industriales Calidad de vida y derechos humanos

5 2. ¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL? Chuquicamata, Chile

6 ¿QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL? 1.Conjunto de etapas requeridas para que las materias primas e insumos se transformen en productos, subproductos y residuos. 2.Las etapas de un proceso industrial son actividades unitarias, donde se dan cambios físicos, trasformaciones químicas o ambos, de acuerdo a determinadas condiciones de operación: presión, temperatura y otras. 3.Existe un rendimiento, una conversión y una selectividad, dependiendo de la actividad unitaria. 4.Cada actividad unitaria requiere un equipo principal y equipos complementarios. 5.El proceso industrial es conceptual y se operativiza en una instalación industrial (planta).

7 3. FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN PROCESO SOSTENIBLE (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE)

8 ANTECEDENTES AÑOACONTECIMIENTO 1980 Se introduce el concepto de Desarrollo Integral (Mario Bunge) 1987 Se publica el Informe Nuestro Futuro Común (Comisión Bruntland) 1990 Se publica el Acta Pollution Prevention PP (Estados Unidos) 1991 Se establece la base conceptual de la Green Chemistry (Química Verde) 1992 Se realiza la Cumbre de Río de Janeiro (Agenda 21 y Centros de Producción más Limpia) 1993 Anastas y Warner dan a conocer los 12 Principios de la Green Chemistry. 1997Benyus plantea la necesidad de considerar el Biomimetismo 2001 Se realiza el CHEMRAWN XIV - World Congress on Green Chemistry (IUPAC) 2002 Mc Donough y Braungard introducen el diseño de la cuna a la cuna

9 PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA INGENIERÍA VERDE QUÍMICA VERDE DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA BIOMIMETISMO ECOLOGÍA INDUSTRIAL FUNDAMENTOS

10 PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA PARA EL DISEÑO DE PROCESOS Y PLANTAS INDUSTRIALES Selección de etapas para transformar las materias primas e insumos en productos y subproductos, mediante el consumo racional de energía. Selección de equipos para favorecer la transferencia de masa y energía. Diseño de equipos para efectuar reacciones químicas con elevados rendimientos. Minimización de costos asociados a la producción, sin descuidar los costos ambientales (control de contaminantes, tratamiento de residuos y manejo de desechos).

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

12 PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE N°PRINCIPIO 1Prevenir la generación de residuos 2Economía de los átomos 3Síntesis químicas menos peligrosas (tóxicas) 4Diseño de productos químicos seguros 5Empleo de disolventes seguros 6Disminución del consumo de energía 7Empleo de materias primas provenientes de recursos renovables 8Reducción de productos derivados 9 Uso de procesos catalíticos homogéneos, heterogéneos y microheterogéneos 10Diseño para la degradación 11Análisis de contaminantes en tiempo real 12Minimización de riesgos de accidentes químicos

13 CASO: SÍNTESIS DE IBUPROFENO IBUPROFENO

14 SÍNTESIS DE IBUPROFENO Síntesis catalítica a partir del isobutilbenceno (Síntesis Verde). El nuevo proceso genera 23% de productos secundarios y residuos, mientras que el proceso convencional utilizaba la protección de grupos funcionales y generaba 60% de productos secundarios y residuos (BASF). El proceso convencional constaba de seis pasos y sólo el 40% de los átomos permanecían en el producto, el nuevo proceso consta de tres pasos (con reacciones catalíticas selectivas) y el 77% de los átomos reactivos permanecen en el ibuprofeno. Aquí se pueden identificar tres principios de la Química Verde (Green Chemistry, enunciados por Paul Anastas y John Warner en el año 1998): - Economía de los átomos. - Empleo de agentes catalíticos selectivos. - Reducción de productos derivados.

15 LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE N° PRINCIPIO 1 Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación de impacto ambiental, integradas a la ingeniería de proceso y producto 2 Conservar y mejorar los ecosistemas naturales a la vez que se protege la salud humana y el bienestar de la población. 3Aplicar el concepto del ciclo de vida. 4 Asegurar, en la medida de lo posible, que la materia prima (y la energía), que entra al sistema sea segura y no tóxica. 5Minimizar el uso de los recursos naturales no renovables. 6Prevenir la generación de residuos. 7 Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería, teniendo en cuenta la situación geográfica, los aspectos sociales y culturales de las comunidades situadas en el entorno. 8 Buscar soluciones de ingeniería innovadoras, con la finalidad de alcanzar la sostenibilidad. 9 Involucrar a la comunidad en el desarrollo de soluciones a problemas ambientales. Fuente: Conferencia de Sandestin

16 BIOMIMETISMO (Janine Benyus, 1997) El biomimetismo se inspira en la naturaleza para poder tomar ideas y resolver problemas. En la hoja de una planta, minúsculos reactores realizan la función fotosintética y la falla de uno o varios de estos reactores, no induce en ningún caso a la falla global del proceso. Por ello, se está buscando la intensificación de los procesos utilizando microrreactores.

17 DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA (Mc Donough y Braungard, 2002) Reconcepción de los sistemas y de sus problemas. La reconcepción es más beneficiosa que la reingeniería y esta a su vez de la simple optimización BENEFICIOS INVERSIÓN Reconcepción del problema Reingeniería del sistema Optimización del sistema actual

18 ECOLOGÍA INDUSTRIAL En la naturaleza los residuos no existen como tales, ya que los desechos de unos individuos son los alimentos (y fuente de energía) de otros (cadenas tróficas). Los procesos industriales deben encadenarse productivamente. Se deben utilizar energías renovables, siempre que sea posible.

19 ENCADENAMIENTO PRODUCTIVO PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES (PIE)

20 Un parque industrial ecoeficiente está constituido por un grupo de plantas industriales localizadas en una misma área geográfica. Estas (empresas) buscan mejorar sus desempeño económico y ambiental. El trabajo coordinado les permite obtener un beneficio colectivo mayor, que trabajando individualmente. Existen dos tipos: PIE que agrupa a empresas que realizan diferentes actividades productivas y PIE en que las empresas realizan la misma actividad. PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES Ver: ECOMUNDO N° 11, Agosto, 2007

21 4. PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES CASOS

22 PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS NO RENOVABLES PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO CONCENTRADO

23 PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE PARA PRODUCIR ACIDO SULFÚRICO REDUCCIÓN DE TAMAÑO RECUPERACIÓN DE CALOR CLASIFICACIÓN DEPURACIÓN DE LOS GASES OXIDACIÓN CATALÍTICA ABSORCIÓN G ENERACIÓ N DE VAPOR ACIDO SULFÚRICO (98,5 %) PIRITAS Elaboración: Loayza Jorge, 2008 FLOTACIÓN TOSTACIÓN CALCINA GASES DE TOSTACIÓN R2 SO 2, SO 3 HACIA LA OBTENCIÓN DE HIERRO FUNDIDO A ALMACENAMIENTO PARA LUEGO OBTENER OTROS METALES VAPOR DE SERVICIO PARA SER USADO EN DIVERSAS ÁREAS DE LA PLANTA VAPOR AGUA YACIMIENTO EXTRACCIÓN ABSORCIÓN H 2 SO 4 (c) R1 COLAS AIRE SECO AIRE SECO R3 POLVO

24 PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS RENOVABLES PRODUCCIÓN DE PULPA Y PAPEL A PARTIR DE RECURSOS FORESTALES

25 BOSQUE NATURAL TALA DESCORTEZADO ASTILLADOCOCCION LAVADO BLANQUEO PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE AGUAS RESIDUALES AGUA COMPUESTOS DE CLORO EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO SECADO Especies maderables R1 ENERGÍA DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA PRODUCCIÓN SUCIA PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE) R2R3 R4 R5 R6 R7

26 PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA BOSQUE PLANTADO TALA DESCORTEZADO ASTILLADOCOCCION LAVADO BLANQUEO PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE AGUAS RESIDUALES AGUA TOTALMENTE LIBRE DE CLORO (TLC) EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO SECADO Especies maderables R1 ENERGÍA PRODUCCIÓN LIMPIA PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE R2R3 R4 R5 R6 R7 a R

27 Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay

28 ELABORACIÓN DE PAPEL PULPA BLANQUEADA MEZCLADO REFINACIÓN REGULACIÓN DE CONSISTENCIA LAMINACIÓN SECADO PAPEL AGUA AGUAS BLANCAS AGUA ADITIVOS ACABADO ENERGÍA energía AGENTE

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

30 MATERIAS PRIMAS E INSUMOS MAQUINARIAS Y EQUIPOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES, AGUAS Y SUELOS SERVICIOS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS SERVICIOS DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS SERVICIOS DE SISTEMAS DE GESTIÓN SERVICIOS DE SEGURIDAD Y PREVENCIÓN DE ACCIDENTES PLANTA INDUSTRIAL (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE) PROVEEDORES Taller

31 FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES 6. TALLER

32 CONTENIDO Ejercicio 2: Producción de ácido fosfórico concentrado Ejercicio 3: Aprovechamiento integral del algodón Ejercicio 1: Producción de ácido adípico

33 El proceso convencional para la producción de ácido adípico utiliza benceno (comprobado agente cancerígeno), obtenido del fraccionamiento del petróleo. El benceno se hidrogena catalíticamente a ciclohexano (empleando níquel como catalizador) y luego el ciclohexano se oxida en un solo paso para obtener el ácido adípico, utilizando O 2 y un catalizador a base de cobalto o cobalto-hierro, según se muestra esquemáticamente. EJERCICIO 1: PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ADÍPICO

34 CUADRO N° 1 PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE IDENTIFICADOS EN LA PRODUCIÓN ACTUAL DE ÁCIDO ADÍPICO Actualmente se utiliza un proceso biotecnológico, que emplea bacterias genéticamente modificadas o biocatalizadores, a partir de glucosa, la cual se puede obtener a partir de caña de azúcar, almidón de maíz o celulosa. También se puede obtener a partir de bagazo (residuo agroindustrial). PRINCIPIOBREVE DESCRIPCIÓN

35 EJERCICIO 2: PRODUCCIÓN DE ÁCIDO FOSFÓRICO CONCENTRADO Para la producción del ácido fosfórico diluido a partir de la roca fosfórica, fluorapatita cálcica CaF 2.3Ca 3 (PO 4 ) 2 o Ca 5 F(PO 4 ) 3, se utiliza el método húmedo que consiste en el tratamiento de la roca fosfórica enriquecida (con el tamaño de partícula adecuado), con una mezcla de ácido sulfúrico y agua o ácido sulfúrico, agua y ácido fosfórico. La digestión utilizando ácido sulfúrico, genera yeso que se separa del proceso y se comercializa para la producción de cemento. La corriente de ácido pasa por una serie de etapas de purificación para obtener un acido fosfórico diluido (36%), el cual puede ser evaporado para obtener ácido fosfórico, generalmente hasta el 80%. Reacciones: Método húmedo (I) CaF 2.3Ca 3 (PO 4 ) H 2 SO H 2 O 6H 3 PO (CaSO 4.2H 2 O) + 2 HF Método húmedo (II) Ca 5 F(PO 4 ) 3 + 5H 2 SO H 2 O + nH 3 PO 4 (n+3)H 3 PO 4 +5(CaSO 4.2H 2 O) + HF Completar el diagrama de bloques presentado, utilizando el método húmedo (II).

36 YACIMIENTO DE ROCA FOSFÓRICA EXTRACCIÓN REDUCCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN PREPARACIÓN DE LA PULPA (A) DIGESTIÓNFILTRACIÓN SEDIMENTACIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (B) FILTRACIÓNEVAPORACIÓN ÁCIDO FOSFÓRICO H 3 PO % PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO H 3 PO 4 H 2 SO 4 H2OH2O ÁCIDO FOSFÓRICO H 3 PO 4 36% DILUCIÓN

37 EJERCICIO 3: APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL ALGODÓN (EJERCICIO PROPUESTO)

38 7. CONCLUSIONES: HACIA PROCESOS SOSTENIBLES 1.Los nuevos procesos industriales deben diseñarse tomando en cuenta los principios de la ingeniería química, la química verde, la ingeniería verde, el diseño integrado de la cuna a la cuna, el biomimetismo y la ecología industrial, entre otros. 2.Los procesos existentes deben hacerse sostenibles mediante el uso racional de los recursos naturales, potenciando el uso de catalizadores, sustituyendo o minimizando los componentes peligrosos, generando una menor cantidad de residuos y en caso de producirlos aprovecharlos, es decir transformarlos en subproductos. 3.Los procesos sostenibles debe ser seguros, tanto para los que trabajan en las plantas industriales como para la comunidad. 4.Los procesos industriales deben contribuir al logro del desarrollo sostenible, que es un nuevo modelo de desarrollo que busca la sostenibilidad (equilibrio de los componentes económicos, sociales y ambientales).

39 CONSULTAS Y SUGERENCIAS Boletín Electrónico Informativo Productos y Residuos Químicos

40 ANEXO

41 YACIMIENTO DE ROCA FOSFÓRICA EXTRACCIÓN REDUCCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN PREPARACIÓN DE LA PULPA (A) DIGESTIÓNFILTRACIÓN SEDIMENTACIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (B) FILTRACIÓNEVAPORACIÓN ÁCIDO FOSFÓRICO H 3 PO % H 3 PO 4 H 2 SO 4 H2OH2O YESO SUCIO ÁCIDO FOSFÓRICO H 3 PO 4 36% SOLVENTE LIMPIO (b) SOLVENTE (d) (c ó d) LAVADO AGUA DE LAVADO (a) ELABORACIÓN: JORGE LOAYZA, 2009 (c) RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE SOLVENTE SUCIO (b) YESO LIMPIO DILUCIÓN IMPUREZAS H2OH2O R1 R2 R3 R6 R5 IMPUREZAS R7 R4 IMPUREZAS TALLER: PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO


Descargar ppt "JORGE EDUARDO LOAYZA PÉREZ Departamento Académico de Procesos Facultad de Química e Ingeniería Química Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima, Perú"

Presentaciones similares


Anuncios Google