Paulo Cesar Narvaez Rincon - Diseño conceptual de procesos químicos

© Universidad Nacional de Colombia Vicerrectoría de Investigación Dirección de Investigación, Sede Bogotá Facultad de Ingeniería

© Editorial Universidad Nacional de Colombia

© Paulo César Narváez Rincón

Comité de publicaciones y bibliotecas de la Facultad de Ingeniería

Comité editorial de la Editorial Universidad Nacional de Colombia

Primera edición, 2014 ISBN 978-958-761-718-4 (papel)

ISBN 978-958-761-720-7 (IPD)

ISBN 978-958-761-719-1 (digital)

Colección Ingenio Propio

Facultad de Ingeniería

Edición

Editorial Universidad Nacional de Colombia

www.editorial.unal.edu.co

Diseño de la colección: Ángela Pilone Herrera

Ilustración de cubierta: Inti Guevara

Bogotá, D. C., Colombia, 2014

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio

sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales

Impreso y hecho en Bogotá, D. C., Colombia

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia

Narváez Rincón, Paulo César, 1972-

Diseño conceptual de procesos químicos: metodología con aplicaciones en

esterificaciones / Paulo César Narváez Rincón. Bogotá: Universidad Nacional de

Colombia (sede Bogotá). Facultad de Ingeniería, 2014.

248 páginas: ilustraciones - (Ingenio Propio)

Incluye referencias bibliográficas

ISBN : 978-958-761-718-4 (tapa rústica) -- ISBN : 978-958-761-720-7 (impresión por demanda) -- ISBN : 978-958-761-719-1 (digital)

Procesos químicos - Diseño 2. Esterificación 3. Ingeniería química 4. Industria de productos químicos 5. Ingeniería sustentable I. Tít. II. Serie

CDD-21 660.28444 / 2013

N OMENCLATURA

A GRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a todos aquellos que directa o indirectamente han hecho posible la realización de este libro, especialmente a:

Mi familia, mi esposa e hijo, mis padres y hermanos.

Los profesores que han compartido conmigo el curso de Diseño de Procesos Químicos II, inicialmente, y Diseño de Procesos Químicos y Bioquímicos, en la actualidad: Ramiro Rueda Suárez y Rubén Darío Godoy Silva.

Al profesor Luis Alfonso Caicedo Mesa, quien como director del Departamento de Ingeniería Química propuso y puso en marcha la modalidad actual del curso de Diseño de Procesos Químicos y Bioquímicos.

Mis compañeros del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental.

Mis profesores de todas las etapas de formación, desde la básica primaria hasta el doctorado.

La Universidad Nacional de Colombia, al personal académico y administrativo de la Facultad de Ingeniería de la Sede Bogotá.

I NTRODUCCIÓN

La industria química ha desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de la humanidad. Sus productos valorizan los recursos naturales y son fundamentales en los avances tecnológicos que hoy disfrutamos. El valor de los negocios del sector químico mundial para 2011 fue €2,744 billones [1], cifra que ilustra el impacto de este sector en la economía mundial. En el periodo comprendido entre 1990 y 2010, en términos de valor agregado, el sector industrial aportó en promedio 29.8% del producto interno bruto (PIB) mundial anual [5].

Por otra parte, la industria química impacta el medio ambiente, tanto por la explotación de los recursos naturales, como por el efecto negativo que pueden tener sus vertimientos, emisiones y residuos, cuando el manejo no es apropiado. Así mismo, la combinación del peligro asociado a muchas sustancias y las condiciones de presión y temperatura típicas de los procesos químicos, hacen que las plantas químicas sean un factor de riesgo. Desastres como los de Oppau (Basf, Alemania, 1921); Seveso (Icmesa, Italia, 1976); Bhopal (Union Carbide, India, 1984); Drowka (Egyptian General Petroleum Corporation, Egipto, 1994); y Jilin (Jilin Petrochemical Company, China, 2008) recuerdan la enorme responsabilidad de los encargados de los productos, procesos y plantas químicas.

Este libro aborda el diseño conceptual de procesos de transformación química y corresponde a las notas de clase de la asignatura Diseño de Procesos Químicos y Bioquímicos del plan de estudios del Programa de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Los estudiantes inscriben este curso luego de haber estudiado las asignaturas del área de ingeniería aplicada, correspondientes a las agrupaciones termodinámica y operaciones unitarias, e ingeniería de las reacciones químicas.

El curso hace parte de la agrupación diseño de procesos químicos, en la que además se estudian el diseño de equipos y de plantas de proceso, así como la integración y optimización de procesos. La agrupación se estructuró con el enfoque de ingeniería de los sistemas de procesos y siguiendo el ciclo de vida de un producto químico, que involucra las siguientes etapas: (a) diseño y desarrollo de productos; (b) diseño y desarrollo de procesos; (c) diseño, construcción, puesta en marcha y operación de plantas de proceso; (d) venta y uso del producto; y (e) reutilización o disposición de los residuos generados por el uso del producto.

La asignatura toma como base una aproximación al tercer paradigma de la ingeniería química: la ingeniería y el diseño de productos. A pesar de ser un curso enfocado hacia el diseño de procesos, reconoce al producto como la fuerza impulsora para el desarrollo y mejoramiento de los procesos, y factor de decisión fundamental para el diseño conceptual de los mismos. Consta de cinco módulos:

El primero presenta las generalidades de la industria química y del proceso de diseño en el contexto de la ingeniería química. El segundo describe una metodología para el diseño de procesos de transformación química. Los tres siguientes presentan los conceptos básicos de los procesos de esterificación, fermentación y tratamiento de aguas industriales, con un enfoque en el que la descripción de los procesos industriales y de las investigaciones recientemente publicadas pasa a un segundo plano, para centrarse en los aspectos de la ciencia y de la tecnología comunes, que permiten entender el porqué de las etapas del mismo, de la forma en que se relacionan y de las condiciones de operación.

El proceso de esterificación, por sus características, en especial al estar gobernado por el equilibrio químico y físico, es una herramienta pedagógica excelente para ilustrar la aplicación de los saberes propios de la ingeniería química al diseño conceptual de procesos. Por otra parte, los ésteres son productos químicos de gran importancia industrial, tanto por la diversidad de materias primas que pueden valorizarse mediante este proceso, como por la gran cantidad de productos y aplicaciones. Adicionalmente, muchas industrias químicas colombianas se relacionan directamente con este proceso, por ejemplo, las de aceites y grasas, biodiésel, plastificantes, sabores y fragancias, agentes de actividad superficial, entre otras.