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

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

1. DESARROLLO SOSTENIBLE Y SOSTENIBILIDAD

Bienestar socio – cultural - económico (y equidad) COMPONENTE AMBIENTAL DESARROLLO SOSTENIBLE Calidad de vida y derechos humanos Materias primas para la producción industrial y sumidero de residuos y desechos industriales COMPONENTE ECONÓMICO COMPONENTE SOCIO-CULTURAL Bienestar socio – cultural - económico (y equidad) Fuente: Mariana Loayza. 2007

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

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

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

ANTECEDENTES AÑO ACONTECIMIENTO 1980 Se introduce el concepto de Desarrollo Integral (Mario Bunge) 1987 Se publica el Informe Nuestro Futuro Común (Comisión Bruntland) 1990 Se publica el Acta Pollution Prevention PP (Estados Unidos) 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. 1997 Benyus 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

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

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).

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

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

CASO: SÍNTESIS DE IBUPROFENO

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.

LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE Fuente: Conferencia de Sandestin 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. 3 Aplicar 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. 5 Minimizar el uso de los recursos naturales no renovables. 6 Prevenir 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.

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.

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

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.

ENCADENAMIENTO PRODUCTIVO PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES (PIE)

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

4. PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES CASOS

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

PROCESO INDUSTRIAL “SOSTENIBLE” PARA PRODUCIR ACIDO SULFÚRICO VAPOR DE SERVICIO PARA SER USADO EN DIVERSAS ÁREAS DE LA PLANTA VAPOR GENERACIÓN DE VAPOR AGUA AIRE SECO RECUPERACIÓN DE CALOR DEPURACIÓN DE LOS GASES OXIDACIÓN CATALÍTICA SO2, SO3 YACIMIENTO POLVO PIRITAS ABSORCIÓN GASES DE TOSTACIÓN AIRE SECO H2SO4(c) R3 ABSORCIÓN EXTRACCIÓN REDUCCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN FLOTACIÓN TOSTACIÓN H2SO4(c) ACIDO SULFÚRICO (98,5 %) R1 R2 CALCINA HACIA LA OBTENCIÓN DE HIERRO FUNDIDO COLAS A ALMACENAMIENTO PARA LUEGO OBTENER OTROS METALES Elaboración: Loayza Jorge, 2008

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

DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE BOSQUE NATURAL TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION R4 Especies maderables AGUA AGUAS RESIDUALES R1 R2 R3 LAVADO R5 EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO COMPUESTOS DE CLORO BLANQUEO R6 ENERGÍA SECADO R7 ENERGÍA PRODUCCIÓN “SUCIA” PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE) PULPA BLANQUEADA

PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE BOSQUE PLANTADO TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION R4 a R Especies maderables AGUA AGUAS RESIDUALES R1 R2 R3 LAVADO R5 a R a R a R EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO TOTALMENTE LIBRE DE CLORO (TLC) BLANQUEO R6 ENERGÍA SECADO R7 ENERGÍA a R PRODUCCIÓN “LIMPIA” PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE PULPA BLANQUEADA

Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay

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

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

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

6. TALLER FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES

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

EJERCICIO 1: PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ADÍPICO El proceso convencional para la producción de ácido adípico utiliza benceno (comprobado agente cancerígeno), obtenido del fraccionamiento del petróleo. El benceno se hidrogena catalíticamente a ciclohexano (empleando níquel como catalizador) y luego el ciclohexano se oxida en un solo paso para obtener el ácido adípico, utilizando O2 y un catalizador a base de cobalto o cobalto-hierro, según se muestra esquemáticamente.

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

EJERCICIO 2: PRODUCCIÓN DE ÁCIDO FOSFÓRICO CONCENTRADO Para la producción del ácido fosfórico diluido a partir de la roca fosfórica, fluorapatita cálcica CaF2.3Ca3(PO4)2 o Ca5F(PO4)3, se utiliza el método húmedo que consiste en el tratamiento de la roca fosfórica enriquecida (con el tamaño de partícula adecuado), con una mezcla de ácido sulfúrico y agua o ácido sulfúrico, agua y ácido fosfórico. La digestión utilizando ácido sulfúrico, genera yeso que se separa del proceso y se comercializa para la producción de cemento. La corriente de ácido pasa por una serie de etapas de purificación para obtener un acido fosfórico diluido (36%), el cual puede ser evaporado para obtener ácido fosfórico, generalmente hasta el 80%. Reacciones: Método húmedo (I) CaF2.3Ca3(PO4)2 + 10H2SO4 + 20H2O  6H3PO4 + 10(CaSO4.2H2O) + 2 HF Método húmedo (II) Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 10H2O + nH3PO4  (n+3)H3PO4 +5(CaSO4.2H2O) + HF Completar el diagrama de bloques presentado, utilizando el método húmedo (II).

PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO H2SO4 H3PO4 DILUCIÓN H2O YACIMIENTO DE ROCA FOSFÓRICA EXTRACCIÓN REDUCCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN PREPARACIÓN DE LA PULPA (A) (A) DIGESTIÓN FILTRACIÓN SEDIMENTACIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (B) ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 36% ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 50-80% (B) FILTRACIÓN EVAPORACIÓN

EJERCICIO 3: APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL ALGODÓN (EJERCICIO PROPUESTO)

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

CONSULTAS Y SUGERENCIAS jloayzap@unmsm.edu.pe jloayzap@revistavirtualpro.com jeloayzap@yahoo.es Boletín Electrónico Informativo Productos y Residuos Químicos www.unmsm.edu.pe/quimica/

ANEXO

TALLER: PROCESO INDUSTRIAL PARA PRODUCIR ÁCIDO FOSFÓRICO H2SO4 H3PO4 (c ó d) DILUCIÓN H2O (a) YACIMIENTO DE ROCA FOSFÓRICA EXTRACCIÓN REDUCCIÓN DE TAMAÑO CLASIFICACIÓN PREPARACIÓN DE LA PULPA (A) R1 R2 (b) SOLVENTE (A) DIGESTIÓN FILTRACIÓN SEDIMENTACIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (B) H2O SOLVENTE SUCIO YESO SUCIO R3 YESO LIMPIO IMPUREZAS RECUPERACIÓN DEL SOLVENTE SOLVENTE LIMPIO (b) LAVADO R4 AGUA DE LAVADO (a) R5 IMPUREZAS R7 (c) (d) ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 36% ÁCIDO FOSFÓRICO H3PO4 50-80% (B) FILTRACIÓN EVAPORACIÓN R6 IMPUREZAS ELABORACIÓN: JORGE LOAYZA, 2009