Lección 1: Fundamentos de la Ingeniería Química y su evolución

Concepto de la Ingeniería Química

LECCIÓN 1 1.1 CONCEPTO DE LA INGENIERÍA QUÍMICA La Ingeniería Química es una disciplina que sistematiza los conceptos físicos, químicos y de otras áreas auxiliares para su aplicación al diseño, desarrollo y operación de procesos a escala industrial. Participa no sólo en la industria química, sino en otros sectores industriales como la minería, la metalurgia, la producción de energía, etc. El papel del ingeniero químico se orienta al estudio del cambio de composición, o del estado físico o del contenido energético que experimentan los materiales en el proceso industrial.

Según Cathalá (1951): la ingeniería química es el arte de concebir, calcular, diseñar, hacer construir y hacer funcionar las instalaciones donde efectuar a escala industrial cualquier transformación química.

Historia y Evolución de la Industria e Ingeniería Química

1.2 INDUSTRIA E INGENIERÍA QUÍMICA: HISTORIA Y EVOLUCIÓN La filtración es la primera operación de proceso , mientras los testimonios de materiales cerámicos, tintes y metalurgia del cobre son algo posteriores, así como el proceso de fermentación para obtener cerveza y vino. Los hornos de cal eran empleados en Mesopotamia, la Edad del Bronce y del Hierro marcan los inicios de la metalurgia.

El Imperio Romano ha sido reconocido como ingenieril, pues se desarrollaron los aspectos prácticos de la circulación de fluidos en redes de abastecimiento y saneamiento, las conducciones de plomo, la destilación y otras técnicas.

Ya en el siglo XIX, el crecimiento y diversificación de la industria química fue especialmente importante en Europa. El proceso de Haber para la síntesis del amoníaco fue una aportación alemana.

En Gran Bretaña y Estados Unidos surgió lo que puede considerarse como el nacimiento de la Ingeniería Química en su concepción actual. Consistía en la preparación de profesionales con una formación entre la ingeniería y la química, suficiente para desarrollar los procesos, operar y controlar las plantas de la industria química.

A partir de los años setenta, la Ingeniería Química se diversifica enormemente apareciendo en diversos estudios: Medio Ambiente, Biomedicina, Polímeros y Plásticos, Tecnología de los alimentos, Tecnología Cerámica ...

La Ingeniería Química en España no fue introducida en las Universidades hasta 1922, apareciendo como una asignatura de nombre "Química Técnica".

Apoyos y Contenidos de la Ingeniería Química

1.3 APOYOS Y CONTENIDOS DE LA I. QUÍMICA La Ingeniería Química, además de apoyarse en las ciencias básicas como las matemáticas, la física, la química, la biología o la informática, se estructura en contenidos orientados a adquirir los conocimientos científicos y técnicos necesarios para poder diseñar y desarrollar las operaciones que integran los procesos químicos industriales. Estos contenidos son:

• · Operaciones básicas o unitarias. Estudio sistemático del fundamento, diseño y operación de todas las transformaciones físicas de las sustancias que tienen lugar en un proceso industrial como la destilación.
• · Ingeniería de la reacción química. Diseño y operación de los reactores en los que se realizan las transformaciones químicas que tienen lugar en un proceso industrial, dependiendo del tipo de reacción química y de las condiciones en que se lleva a cabo.
• · Ingeniería de procesos. Optimización de las diferentes operaciones de transformación físicas o químicas cuando se conectan entre sí para obtener los productos deseados.
• · Materias complementarias. Conjunto de materias que aportan conocimientos básicos necesarios y directamente relacionados con los objetivos de la Ingeniería Química. Las fundamentales son termodinámica, cinética química, fenómenos de transporte, control y dinámica de sistemas, economía, gestión ambiental y disciplinas auxiliares.

OPERACIONES UNITARIAS INGENIERÍA DE LA REACCIÓN QUÍMICA INGENIERÍA DE PROCESOS GESTION MEDIOAMBIENTAL ECONOMÍA MATERIAS COMPLEMENTARIAS DISCIPLINAS AUXILIARES TERMODINÁMICA CINÉTICA QUÍMICA FENÓMENOS DE TRASPORTE CONTROL Y DINÁMICA DE SISTEMAS

Las metodologías empleadas en la Ingeniería Química se han extendido a otros campos, dando origen a otra serie de ingenierías, entre las cuales figuran la Bioquímica, la Medioambiental y la Nuclear, todas ellas relacionadas con los problemas planteados por las transformaciones químicas y físicas de la materia.

Profesionalidad del Ingeniero Químico

1.4 PROFESIONALIDAD DEL INGENIERO QUÍMICO El Ingeniero Químico será un profesional con los conocimientos necesarios para el diseño de procesos y productos, cálculo, construcción, puesta en marcha y preparación de equipos e instalaciones donde tengan lugar procesos en los que la materia experimenta cambios en su composición, estado, contenido energético o reactividad; características de la industria química y de sectores relacionados.

Competencias del Ingeniero Químico

Competencias: conjunto de conocimientos, actitudes y destrezas necesarias para desempeñar una función dada.

• - Competencias genéricas o transversales: Comunicación oral y escrita, trabajo en equipo y uso solvente de los recursos de información.
• - Competencias profesionales generales del título: Conocimiento de materias básicas y tecnológicas; capacidad de resolver problemas con iniciativa, razonamiento crítico creatividad; capacidad para el manejo deespecificaciones, reglamentos y normas; capacidad para analizar, valorar y cuantificar el impacto social y medioambiental de las soluciones técnicas.

Funciones del Ingeniero Químico

¿QUÉ HACE UN INGENIERO QUÍMICO? Los ingenieros químicos están implicados en el diseño, modificación y operación de los procesos que conllevan a los productos deseados. Están al servicio de una gran variedad de sectores incluidos: productos químicos y derivados, productos farmacéuticos, energía, agua, bebidas, alimentos, materiales, biotecnología, etc.

Tareas o actividades específicas que se realizan en la profesión:

• - Diseñar el proceso de transformación de la materia prima en un producto elaborado de mayor valor agregado.
• - Determina y realiza el dimensionamiento de los equipos a utilizar.
• - Lleva a cabo la evaluación económica del proceso, modela, simula, optimiza y diseña el control automático del proceso.
• - Supervisa la instalación, puesta en funcionamiento y operación de equipos y procesos de la planta química, de acuerdo con normas ecológicas, de higiene y seguridad.
• - Elabora, administra y evalúa nuevos proyectos químicos.
• - Desarrollo tecnológico e innovación.
• - Marketing y áreas de comercialización y docencia.

Existen diversos campos de actuación como las industrias de proceso químico, fisicoquímico y bio-químico, instalaciones y servicios auxiliares y instalaciones de tratamiento de la contaminación.

DISEÑO INVESTIGACIÓN DE DESARROLLO PRODUCCIÓN PLANIFICACIÓN INGENIERÍA DE PROYECTOS OPERACIÓN SERVICIO TÉCNICO INVESTIGACIÓN OPERATIVA EVALUACIÓN DE PROYECTOS FUNCIONES DEL INGENIERO QUÍMICO PROCESADO DE DATOS ESTUDIOS DE MERCADO ANÁLISIS ECONÓMICO SEGURIDAD VENTAS PATENTES INFORMACIÓN MANTENIMIENTO ENSEÑANZA OTRAS

Impacto de los Procesos Químicos sobre el Medio Ambiente

IMPACTO DE LOS PROCESOS QUÍMICOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE Medidas a tomar:

• · Reducción del consumo de combustibles fósiles
• . Mayores eficacias y rendimientos energéticos
• · Desarrollo de nuevas fuentes energéticas
• · Aprovechamiento integral de las materias primas y productos residuales
• · Diversificación de las fuentes de materias primas

Introducción a los Procesos Químicos

LECCIÓN 2 2.1 INTRODUCCIÓN Un proceso químico consiste en una sucesión ordenada de operaciones físicas y químicas, interconectadas de forma organizada, dando lugar a un producto de interés a escala industrial.

PROCESO QUÍMICO-INDUSTRIAL Energía Servicios auxiliares Aspectos socio-políticos Aspectos económicos of sh of Suloupe MATERIAS PRIMAS PROCESO QUÍMICO-INDUSTRIAL PRODUCTOS Disponibilidad y coste Regulaciones ambientales Tecnología disponible Mercado 6

Conocimientos Relacionados con Procesos Químicos

Conocimientos relacionados:

• - Operaciones básicas.
• - Ingeniería de la reacción química.
• - Ingeniería de procesos.
• - Materias complementarias (Termodinámica, cinética, fenómenos de transporte, etc.).

Bases para el Diseño de una Planta Química

BASES PARA EL DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA

• · Principio.
• · Estudio o informe de viabilidad.
• · Desarrollo del proceso.
• · Evaluación económica final.
• · Diseño ingenieril detallado.
• · Adquisición.
• · Construcción.
• · Puesta en marcha y ensayo.
• · Producción.
• . Índice Dow (incendio y explosión).
• · Análisis Hazop (riesgos y operatividad).
• · Análisis Pinch (optimización).

Industrias de Procesos Químicos

INDUSTRIAS DE PROCESOS QUÍMICOS

• - Alimentos.
• - Combustibles, lubricantes y derivados petroquímicos.
• - Compuestos químicos: orgánicos, inorgánicos, explosivos, detergentes y jabones y pinturas y pigmentos.
• - Metalurgia.
• - Tratamiento de agua, efluentes y residuos.
• - Generación de vapor y energía termoeléctrica.
• - Materiales.
• - Papel y celulosa.
• - Pesquera.
• - Plásticos, textiles y fibras sintéticas.
• - Fármacos.

Estructura General de un Proceso Productivo

ESTRUCTURA GENERAL DE UN PROCESO PRODUCTIVO Insumos MP Insumos PRODUCTO PREPARACION PURIFICACION REACCION SEPARACION PURIFICACION Subproductos Subproductos TRATAMIENTO EFLUENTES EFLUENTE LIMPIO PRODUCTOS SECUNDARIOS

Sistema Global de un Proceso Químico

SISTEMA GLOBAL DE UN PROCESO QUÍMICO Productos Materias Corrientes calientes Primas PLANTA DE PROCESOS QUIMICOS RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Entradas Corrientes frías Electricidad Suministros y Servicios Servicio de calentamiento Agua Combustibles PLANTAS DE SERVICIOS Calderas, Turbinas Aire comprimido Oxigeno, vacío Servicio de enfriamiento Aire

Clasificación de los Procesos Químicos

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS QUÍMICOS

Proceso Continuo

PROCESO CONTINUO

• - Condiciones de operación estacionarias.
• - Gran escala de Producción.
• - Cada equipo realiza una operación o función específica.
• - Calidad del producto constante.
• - Velocidad de producción constante.
• - Alta automatización.
• - Poca mano de obra.

Proceso Discontinuo (Batch)

PROCESO DISCONTINUO (BATCH)

• - Funcionamiento intermitente.
• - Ciclo de operación.
• - Pequeña escala de producción.
• - Plantas flexibles, multiproducto y multipropósito.
• - Grandes tiempos de procesamientos o residencia.
• - Reacciones lentas y flujos pequeños.
• - Productos de calidad variable.
• - Velocidad de producción variable.
• - Mucha mano de obra.
• - Productos de alto valor y calidad.
• - Procedimientos de síntesis complejos.
• - Condiciones de control muy estrictas.

Proceso Continuo Catalizador Producto Alimentación CALENTADOR REACTOR SEPARADOR Producto Calor

Proceso Discontinuo Fijo (1) Alimentación CALENTADOR REACTOR SEPARADOR Calor (2) Catalizador

Operaciones Básicas

2.2 OPERACIONES BÁSICAS Operaciones Básicas o Unitarias: Consiste en cada una de las operaciones o etapas individuales con una función específica diferenciada, que coordinadas permiten llevar a cabo un proceso químico industrial.