Fundamentos de procesos industriales
Introducción
Este documento pretende centralizar los conceptos básicos planteados en el curso de Procesos y
Equipos dictado a los Estudiantes de la carrera de Ingeniería Industrial, materia que es abordada
luego del curso de Termodinámica.
Procesos y Equipos está dividida de acuerdo a tres grandes áreas de la ingeniería, a saber la
mecánica de fluidos, los balances de materia y energía y la transferencia de calor. Cada una de
estas áreas es por sí misma al menos una materia semestral en los planes de estudio de ingeniería
mecánica o química; por tal razón tienen una amplísima bibliografía y un nivel de profundización
considerable.
Como el propósito de la materia para el plan de estudios de Ingeniería Industrial es impartir los
conceptos fundamentales sobre la ingeniería de los procesos industriales, se hace necesario
condensar la información encontrada en la literatura, con la idea de manejar un único texto para el
curso, pues de otra manera su objetivo puede dispersarse en los textos dedicados exclusivamente
a cada área. Así, siguiendo esta carta de navegación, el estudiante puede revisar otros textos y
aprovecharlos mejor.
El capítulo 1 presenta los conceptos básicos de la industria de procesos, su clasificación, su
entorno económico y su impacto ambiental. Se hace especial énfasis en el papel de la ingeniería
en el control de la contaminación del ambiente. También se muestran las principales operaciones
unitarias de los procesos y la forma de representar procesos esquemáticamente.
El capítulo 2 explora las variables de proceso, haciendo hincapié en el uso del sistema
internacional de unidades y en la importancia del análisis dimensional. El capítulo 3 expone los
conceptos básicos de la mecánica de fluidos: la ecuación hidrostática, la ecuación de Bernoulli, la
ecuación de energía aplicada en fluidos y los métodos de calcular pérdidas en tuberías y
accesorios.
El capítulo 4 es una descripción de los balances de materia en procesos industriales. Se hace
énfasis sólo en las transformaciones físicas. En el capítulo 5 se presenta la forma general de los
balances de energía y sus aplicaciones en equipos de transformaciones físicas; también se
presenta brevemente un punto de vista global de la problemática mundial actual de la energía y los
efectos ambientales involucrados.
En el capítulo 6 se realiza un estudio detallado de operaciones de humidificación y secado, que
involucra los conceptos de los dos capítulos anteriores. Se estudian estos fenómenos, enfatizando
en los procesos de acondicionamiento de aire, ya que son de uso común en la industria y en la vida
cotidiana.
El capítulo 7 expone los aspectos básicos de la transferencia de calor, mostrando el uso de las
leyes de conducción, convección y radiación aplicada a equipos de proceso.
Finalmente, en el capítulo 8 se exponen algunos conceptos teóricos acerca del comportamiento de
los materiales sólidos en la industria, pues a lo largo del curso se encuentran ejemplos que
manejan las fases fluidas (líquida y gaseosa) principalmente; con esto se logra abarcar un
conocimiento general de los principales estados macroscópicos de la materia.
Deseo que encuentren agradable la lectura de este documento y que sirva de eficaz ayuda en el
estudio de estas emocionantes áreas de la tecnología, las cuales han sido y siguen siendo de
mucha utilidad en el mejoramiento de la calidad de vida de todos. Bienvenidos.
1
1.1
Conceptos Generales
Lo que hacen los ingenieros de procesos.
Alguien dijo una vez: “Los científicos hacen que se conozcan las cosas; los ingenieros hacen que
las cosas funcionen”. Este axioma está bien ilustrado por el afortunado descubrimiento accidental y
el tortuoso desarrollo del teflón. En los primeros meses de 1928, Anthony Benning, jefe de grupo,
Roy Plunckett, químico y Jack Rebok, técnico de laboratorio, llevaban a cabo una investigación
sobre refrigerantes a base de freón en el laboratorio duPont Jackson, en New Jersey. Al Dr.
Plunckett se le había asignado producir una nueva composición basada en el tetrafluoroetileno
(TFE). De acuerdo con la historia, el Dr. Plunckett había preparado varios cilindros llenos de gas y
los había almacenado en hielo seco. En la mañana del 6 de Abril de 1938, Rebok notó que no
había presión en uno de los cilindros, lo cual indicaba que estaba vacío. Sin embargo, pesaba lo
mismo que cuando estaba casi lleno. Plunckett y Rebok quitaron la válvula del cilindro y lo
inclinaron. Salió de él algo de polvo blanco.
Decidieron cortar el cilindro, pero primero consultaron con Benning, a quien le desagradaba que se
malgastaran los activos de la corporación. Encontraron más material sólido dentro del cilindro.
Plunckett se dio cuenta de que se había efectuado una polimerización espontánea del gas,
creándose un nuevo material. Benning sugirió tratar de disolverlo, pero ninguno de los disolventes
conocidos lo afectó, a estas pruebas siguieron otras que revelaron propiedades más extrañas de
este nuevo material.
El desarrollo comercial del politetrafluoroetileno (PTFE), tan espectacularmente hecho por
accidente en el laboratorio, estuvo lleno de obstáculos de ingeniería. El proceso de producción del
monómero TFE en sí se desarrolló en forma deficiente, dando como resultado una mezcla
compleja de compuestos tóxicos y potencialmente explosivos. La uniformidad y la calidad del
producto polimerizado fueron difíciles de lograr. La dificultad para fundirlo y su alta temperatura de
descomposición aún cuando eran las ventajas superiores del producto, crearon graves problemas
de producción que necesitaron técnicas de fabricación metalúrgica ajenas a la tecnología de los
plásticos.
Según lo registró el Dr. Plunckett: “los costos de manufactura eran terribles”. Sin embargo, con el
comienzo de la segunda guerra mundial, la singular resistencia química y la fuerza dieléctrica del
PTFE, junto con otras propiedades superiores, crearon demandas urgentes del mismo para el
proyecto Manhattan y la industria de la defensa.
La producción de la planta piloto comenzó en 1943. La producción a escala comercial no ocurrió
sino hasta 1948, o sea 10 años después de su descubrimiento en el laboratorio. Cuando se le
preguntó acerca del papel de los ingenieros en este drama, el Dr. Plunckett escribió: Estaban
íntima y extensamente involucrados en el desarrollo de la planta piloto… en cada fase del diseño
del proceso… desarrollando técnicas para separar, purificar, almacenar y manejar el TFE…
desarrollando procedimientos de seguridad para prevenir accidentes al personal y al equipo…
Según lo muestra esta anécdota, la transformación de procedimientos exploratorios o de
investigación a pequeña escala en procesos comerciales a gran escala es una responsabilidad
importante y de reto para el ingeniero. La definición del material y los balances de energía, el
cálculo de las caídas de presión, los gastos en los sistemas de tubería, la determinación del
tamaño de las bombas, la identificación de las áreas de transferencia de calor, el cálculo del
tamaño de los equipos, la determinación del tamaño y tipo de reactores, son pasos en la definición
de un proceso comercial.
Si considera el futuro, un estudiante podría preguntarse “¿por qué debo tomar un curso de
procesos? yo deseo estar en ventas… en finanzas… en mercadeo… en la gerencia” quienes tienen
más experiencia contestarían que aún el personal de ventas, para que sea eficiente, debe entender
los procesos que generan sus productos. Deben conocer el costo y las limitaciones de capacidad
más las variaciones que puedan anticipar la calidad del producto. El ingeniero de operación debe
saber hacia dónde están enfocados los costos importantes del proceso, qué partes del equipo son
las más importantes para lograr capacidad y calidad, y qué áreas de problemas justifican mayor
atención. Los supervisores, en especial, deben tener un conocimiento básico de la planta si desean
manejarla con eficiencia.
El investigador eficiente, en particular se encamina conscientemente o de alguna manera hacia los
caminos que prometen una recompensa práctica o comercial. Un ingeniero que trabaje en
investigación frecuentemente debe diseñar sus propios equipos y generalmente mostrar resultados
en un año para justificar la continuación del proyecto de investigación. Se puede desperdiciar una
cantidad considerable de tiempo valioso de investigación debido a errores en el diseño de los
aparatos. Hay muchos factores impredecibles en un proyecto de investigación que no pueden
quedarse detenidos debido a errores de diseño. Probablemente algunos de los desengaños en la
productividad de la investigación puedan ser provocados por un mal diseño de los equipos. De
cualquier modo, la única manera en que un ingeniero investigador puede aumentar su
productividad es convirtiéndose en un diseñador hábil de equipo. Generalmente se descuida la
importancia del diseño de procesos y equipos en la investigación y desarrollo.
1.2
Procesos químicos.
PROCESO
INDUSTRIAL
Energía básica
Materias primas
Producto
principal
Subproductos
Desechos:
sólidos,
líquidos,
gaseosos.
Materiales recirculados
Figura 1.1 Diagrama generalizado de un proceso.
Los procesos químicos transforman materias primas en productos útiles que generan beneficios a
los colaboradores y dueños de las empresas y a la comunidad en general. Estos productos se
emplean como bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones químicas y
físicas en la elaboración de productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la
producción total de sustancias químicas se utiliza en la manufactura de otras, de modo que la
industria química es la mejor cliente de sí misma.
Un proceso industrial, técnicamente hablando, es el término en que se agrupan una serie de
transformaciones físicas, químicas y biológicas, económicamente rentables, realizadas a una
materias primas dadas para convertirlas en productos requeridos, con la posibilidad de que se
obtengan subproductos.
Energía recuperada
Energía desperdiciada
Las profesiones relacionadas con la elaboración de productos químicos encontrarán que esta
visión global de las industrias procesadoras es útil para entender su situación actual. Los
ingenieros deben ocuparse, con sentido crítico, de las utilidades, ya que sin estas un negocio no
puede operar. La industria química se caracteriza por cambios rápidos en los métodos, que
responden en la actualidad a grandes alteraciones en los costos de energía; sin embargo, siempre
que el costo de una sustancia química aumenta, aunque sólo sea un 10%, en muchos casos esa
sustancia se expone a ser reemplazada por una nueva sustancia.
La ingeniería de procesos tal como se percibe actualmente, nació en 1910 en el Massachussets
Institute of Technology, cuando los profesores encontraron que existen varias transformaciones
físicas que son necesarias y que se repiten a través de las plantas de manufactura de diversos
productos químicos. Estas transformaciones físicas se llamaron “operaciones unitarias” y ahora
pueden utilizarse junto con procedimientos matemáticos computacionales rigurosos para hacer
modelaciones para el diseño y control de las plantas.
Las transformaciones químicas ocurren en los reactores químicos, los cuales muchas veces, se
consideran erróneamente como operaciones unitarias.
Las bibliotecas son la mejor fuente de información para el estudio de los procesos químicos. El
Chemical Abstracts y el Engineering Index son índices de casi todas las publicaciones corrientes y
ahorran mucho tiempo de búsqueda; se puede acceder a estos índices por internet. Las
publicaciones más consultadas son: de la American Chemical Society (ACS): Industrial and
Engineering Chemistry, Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development,
Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, Industrial and Engineering Chemistry Product
Research and Development, Journal of Chemical and Engineering Data, Chemical and Engineering
News. CHEMTECH, Chemical Week. Del American Institute of Chemical Engineers (AIChE):
Chemical Engineering Progress, AIChE Journal, International Chemical Engineering, Hydrocarbon
Processing, Chemical Engineering.
En los procesos rara vez hay una conversión completa (uno a uno) de materias primas en
productos finales deseados; se forman tanto productos intermedios (o secundarios) como
materiales de desecho, simultáneamente. El objetivo principal al diseñar todo proceso es el de
minimizar los productos secundarios de bajo valor, y reducir los productos de desecho a un
mínimo.
Las industrias químicas deben ser económicas; en este sentido, el factor más importante es
generalmente el rendimiento, que es la fracción de materia prima recuperada como producto
principal (o deseado). También se utiliza la conversión que es la fracción de materia prima
convertida por paso en productos y subproductos; por ejemplo, en la síntesis de amoniaco, el
rendimiento es del 98%, mientras que la conversión está limitada al 14% por paso por el equilibrio
químico, es decir, que el 14% de materia prima se convierte en productos cada vez que pasa por el
reactor, lo que significa que el 86% de materia prima debe ser recirculada.
La meta es que la conversión iguale al rendimiento. Debido a las bajas conversiones muchas
plantas son 4 o 5 veces más grandes de lo que podría esperarse si la conversión igualara al
rendimiento. La conversión se incrementa mejorando las condiciones de operación e introduciendo
nuevas y mejores materias primas.
1.3
Clases de procesos.
Los primeros procesos químicos se hacían de manera intermitente, y muchos continúan
haciéndose de ese modo. Los lotes pueden medirse de manera más fácil, pero el control de
temperatura puede ser difícil. Casi sin excepción, los procesos continuos requieren equipo mucho
más pequeño y menos costoso, tienen mucho menos material en proceso (y por tanto, tienen
menos oportunidad de perderse grandes cantidades) y tienen condiciones de operación más
uniformes, así como procesos más uniformes que los procesos intermitentes. Los procesos
continuos requieren controles más rápidos de flujos y de condiciones, los que serían imposibles sin
una instrumentación de buena calidad. El control automático es ahora de gran valor.
Es común fabricar pequeñas cantidades de productos químicos por medio de operaciones
intermitentes, pero cuando el mercado aumenta, deben cambiarse a un proceso continuo. La
reducción en el costo de la planta por unidad de producción es, por lo general la mejor razón para
el cambio. A medida que el volumen de producción aumenta, el ingeniero debe calcular el punto en
el que los gastos de mano de obra, investigación, instrumentación y equipo, justifican un proceso
continuo, con inversión y costos de operación más bajos, y calidad más uniforme. Cada vez hay
más plantas pequeñas automáticas en continuo, como un primer paso, cuando el proceso
intermitente (o batch) resulta indeseable.
Los procesos también se clasifican según el tipo de material que procesan en: sistemas de
procesamiento de fluidos, en los cuales se manejan de manera global gases, líquidos y en
ocasiones sólidos fluidizados; y, sistemas de manufactura de piezas discretas, en los cuales son
manejadas, casi separadamente, cada pieza de material individual, identificable, de materiales
sólidos, y cada una de ellas puede cortarse, arreglarse o manipularse para un posterior ensamble
simple o complejo de todo el conjunto.
La mejor clasificación de los procesos se hace según el área industrial de cubrimiento; a su vez
cada área se subdivide por tipos de productos. Se pueden considerar las siguientes industrias:
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Industria de productos químicos del carbón
Industria de gases combustibles
Gases industriales
Carbón industrial
Industria de la cerámica
Cemento Portland, compuestos de calcio y magnesio
Industria de la construcción
Industria del vidrio
Sal y otros compuestos del sodio
Industria del clor-álcali, carbonato de sodio, soda cáustica, cloro
Industria electrolítica
Industria electrotérmica
Industria del fósforo
Industria del potasio
Industria del nitrógeno
Azufre y ácido sulfúrico
Industria del ácido clorhídrico
Productos químicos inorgánicos diversos
Industria nuclear
Explosivos, propulsores y agentes químicos tóxicos
Industria de productos fotográficos
Industria de los recubrimientos de superficies
Industria alimenticia
Industria agroquímica
Fragancias, sabores y aditivos de los alimentos
Aceites, grasas y ceras
Jabones y detergentes
Industria del azúcar y del almidón
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Fermentación industrial
Productos químicos derivados de la madera
Industria de la pulpa y el papel
Industria del plástico
Industria de fibras y películas sintéticas
Industria del hule
Refinación del petróleo
Productos petroquímicos
Productos intermedios cíclicos y colorantes
Industria farmacéutica
Fibras y textiles
Minería y beneficio de materiales
Productos del caucho
Productos metálicos y metalúrgicos
Las plantas piloto son unidades a escala reducida, diseñadas para realizar experimentos de los
que se obtienen datos de diseño para plantas grandes y, a veces, para producir cantidades
significativas de algún nuevo producto que permitan que el usuario lo evalúe. La planta piloto debe
construirse con equipo cuyo material sea idéntico al que se empleará en la planta comercial a fin
de cerciorarse de cometer errores mínimos y obtener ganancias grandes. El desarrollo de
experimentos en plantas piloto resulta costoso pero con frecuencia es necesario.
Generalmente, es posible calcular y se modelar computacionalmente un proceso para usar menos
experimentación para el desarrollo de nuevos productos. En caso de requerirse experimentación,
conviene el uso del diseño de experimentos junto con análisis estadísticos, para minimizar los
costos. También debe reconocerse que es extremadamente costoso experimentar directamente
sobre la línea de producción.
Los procesos químicos automáticos son cada vez más comunes. Los instrumentos para
procesamiento de datos y de computación en realidad se encargan del manejo de los complejos
sistemas de procesamiento químico actuales. Algunos instrumentos pueden incluso optimizar las
condiciones de la planta para cumplir con las variables condiciones de la alimentación. Los
instrumentos no deben elegirse simplemente para registrar las variables de proceso; su función
consiste en detectar, controlar, registrar y mantener las condiciones de operación deseadas, para
asegurar una calidad consistente.
En las operaciones continuas a gran escala, la función del personal es mantener la planta en
condiciones adecuadas de funcionamiento, entonces los instrumentos son una herramienta
esencial para el procesamiento moderno. Las secuencias intermitentes requieren pocos
instrumentos y, por tanto de mayor supervisión, debido a que las condiciones varían de principio a
fin. Estos problemas incluso pueden resolverse por medio de instrumentos programados, siempre
que el gasto pueda justificarse.
La instrumentación que alguna vez fue una parte trivial dentro de la inversión de la planta, se ha
elevado hasta un 25% en algunos casos; no obstante, el vertiginoso desarrollo del computador ha
reducido considerablemente los costos. La instrumentación se ha colocado en esta posición debido
al aumento de los procesos continuos, por el incremento de costos de mano de obra y de
supervisión, por la relativamente limitada confiabilidad de la capacidad humana y por la
disponibilidad de muchos tipos de instrumentos y monitores a precios decrecientes y de
confiabilidad creciente.
Normalmente se usan dos tipos de instrumentos: los analógicos y los digitales. Los instrumentos
analógicos, como los termómetros y los medidores de presión de Bourdon, producen resultados
por el movimiento mecánico de algún tipo de dispositivo proporcionales a la cantidad a medir. Los
dispositivos digitales utilizan generalmente, un transductor, que es un dispositivo para convertir la
cantidad que se mide en algún tipo de señal (generalmente eléctrica o neumática), y circuitos
electrónicos para convertir esta señal en números legibles que son exhibidos o registrados.
Parece existir una tendencia hacia los instrumentos digitales, pero muchos dispositivos analógicos
continúan siendo muy deseables. La computadora puede monitorear y regular las salidas de
cualquier tipo de dispositivo, de acuerdo con un programa preestablecido, pero en general se
prefiere que las entradas sean digitales.
El control analítico químico se aplica actualmente para el análisis de las materias primas que
llegan, para los materiales en proceso y para el producto que sale. Generalmente, los análisis
convencionales son costosos, lentos y dependen de métodos de muestreo con alta incertidumbre.
La llegada de métodos cuantitativos de análisis rápidos, confiables, sensibles, automatizados y
económicos ha vuelto factible el control basado en análisis realizados dentro del proceso mismo;
así, la producción de bienes de óptima calidad se hace en forma mucho más confiable
actualmente. Los cromatográfos, los sensores de pH, los análisis por conductividad y aún la
espectroscopía de masas se han automatizado para su empleo en la industria.
1.4
Entorno económico de los procesos químicos.
Los ingenieros difieren de los científicos por su preocupación respecto de los costos y beneficios.
Cada decisión de ingeniería implica consideraciones de costos. Los ingenieros deben estar
siempre al tanto de los cambios económicos que puedan afectar sus productos. El objetivo
principal de todos los esfuerzos de un ingeniero debería ser la entrega segura a su jefe y al público
consumidor de los mejores productos o servicios más eficientes al más bajo costo.
Desde que el cambio es una característica notable de los procedimientos químicos, la alteración
potencial de cualquier proceso es importante, no sólo en el momento cuando se diseña la planta,
sino en forma permanente. Una de las funciones de la división de investigación y desarrollo (I&D),
es mantener informada a la dirección de la compañía sobre los avances y actualizaciones en
procesos de producción de cualquier producto en el que la organización esté interesada. Esta
división I&D debe mantener información relativa a los desarrollos en otras compañías y estar en
posición de asesorar a la administración sobre la situación relativamente competitiva de los
procesos o productos, actuales o futuros. Así, elegir un proceso para fabricar un determinado
producto, es una decisión económica.
Los ingenieros se preocupan por el control y ahorro de la energía. Esta puede gastarse en el
transporte de la materias primas por barco, camiones o ductos; puede ser empleada en forma de
calor del vapor o como electricidad; o bien, puede ser la energía desprendida en las reacciones
exotérmicas o la absorbida en las reacciones endotérmicas. Los costos de la energía del petróleo,
gas, carbón, solar, nuclear, eléctrica, eólica o hidráulica están en cambio constante, por lo cual es
difícil planificar a largo plazo. La energía es uno de los gastos más importantes en las plantas
químicas, pero a menudo es posible reducir su uso por la alteración de los métodos de
procesamiento, en particular por el uso de nuevas tecnologías de separación.
Los obreros capacitados contribuyen definitivamente al éxito de una planta. La industria de los
procesos químicos ha cambiado rápidamente a las técnicas de ahorro de mano de obra gracias a
la apresurada extensión de los procesos continuos, el uso de los controladores automáticos de
proceso y los procedimientos de optimización de recursos. Los requerimientos de mano de obra en
la industria química son comparativamente pequeños, pero en muchos trabajos se requieren
habilidades excepcionales y se pagan salarios por encima del promedio. Los procesos manuales
demostraron hace muchos años ser lentos y costosos, adjetivos que no están en el vocabulario
moderno de la ingeniería.
La condición física del producto tiene gran influencia sobre su mercado. El empacado y el
almacenamiento son costosos y deberían evitarse cuando fuese posible. Los recipientes más
económicos son los de transporte a granel, como los tanques, los buques cisterna, las tuberías, los
carros tanque, etc. El carbón y otros sólidos se han transportado por medio de tuberías en
suspensión en agua. Los ferrocarriles que transportan una sola mercancía hacia un solo destino,
se usan en muchos lugares para reducir los gastos de transporte. La apariencia del recipiente es
importante solamente para los productos que son vendidos directamente al consumidor.
El personal de ventas constituye los ojos, oídos y nariz de la compañía, al traer información que
ayuda en las predicciones económicas. En muchas compañías se han logrado posicionar muchos
productos gracias a las sugerencias de los vendedores. Debido a que la experiencia técnica y la
habilidad para las ventas difícilmente se encuentran en la misma persona, se utiliza el
departamento de servicio al cliente, como complemento para constituir un buen contacto entre
consumidores y empresa.
La primera responsabilidad de un gerente de planta es hacer que se trabaje de modo que se
produzcan, con seguridad y buen ambiente laboral, bienes aceptados en el mercado y con
utilidades. No hay desempeño excelente sin una moral alta. Cuando una organización pierde su
capacidad de evocar el desempeño individual elevado, se acaban sus grandes días. La moral es
como la libertad, se requiere trabajo constante para preservarla y merecerla. Así, el éxito de un
proceso está en lograr la eficiencia tanto en el proceso productivo como en la parte externa a la
producción.
Para aumentar las ganancias en el futuro, es necesario realizar una investigación adecuada y hábil
con generación de patentes. En la industria de procesos químicos, una de las características más
relevantes está en el cambio rápido de los procedimientos, en las nuevas materias primas y en los
nuevos mercados. La investigación crea o utiliza estos cambios. Sin una investigación cuidadosa,
la compañía se queda atrás en el progreso competitivo. El desarrollo es la adaptación de las ideas
de la investigación a las realidades de la producción y la industria. El progreso de la industria abre
nuevos mercados aún para productos fundamentales ya posicionados.
Los resultados y beneficios de la investigación son: procesos nuevos y mejorados, costos y precios
bajos de los productos, servicios y productos antes desconocidos, transformación de materias
raras en abastos comerciales de utilidad práctica, abastecimiento adecuado de materiales que
anteriormente se obtenían sólo como subproductos, liberación de la dominación comercial ejercida
por otros países, estabilización del negocio, empleo en la industria y productos de calidad
mejorada. Cada vez más los ingenieros se dan cuenta de que ya no pueden pensar en una planta
de proceso como si esta fuera una colección de operaciones y procesos diseñados en forma
individual. Cada vez es más evidente que cada unidad separada de una planta tiene influencia
sobre las otras, en forma sutil y directa. También es cierto que la planta es una parte de un sistema
ecológico que se extiende mucho más allá de sus fronteras.
Actualmente, se puede estudiar el comportamiento dinámico y estático de las plantas mediante
modelación computacional. Estos estudios han mostrado nuevas posibilidades que no se habían
concebido antes para la operación de una planta. En lugar de medir e intentar mantener controlada
una temperatura, presión y condiciones generales en forma rígida (control de retroalimentación),
los ingenieros están tratando de ajustar las variables del sistema de modo que la producción sea
satisfactoria, aún cuando las condiciones de entrada sean muy variables y no estén fijas (control
con alimentación hacia adelante). Nuestra generación de ingenieros debe estudiar y mejorar las
plantas entendiéndola como sistemas complejos interactuantes, dejando atrás la idea de los
sistemas simples estáticos que se componen solamente de operaciones y procesos unitarios.
1.5
Protección ambiental.
Cada año, la protección del ambiente requiere más atención por parte de los ingenieros. Los
factores ambientales afectan a toda la industria química y a los negocios en general. Los gastos
comunes e importantes para el control de la contaminación en el mundo reflejan la intervención de
los gobiernos mediante leyes estrictas. Estas son aplicadas por las agencias de protección
ambiental. La más reconocida es la Environmental Protection Agency, EPA de los Estados Unidos.
Las leyes para el control de la contaminación iniciaron en la década de los 50, y cada año se hacen
más rigurosas con el fin de minimizar el impacto de las industrias sobre el medio ambiente. La
contaminación se divide según el estado de la materia de esta en: contaminación de aguas,
contaminación atmosférica y contaminación por manejo de residuos sólidos.
1.5.1
Aguas residuales en la industria.
La disposición eficiente de las aguas residuales es importante para cualquier comunidad. Las
aguas residuales se dividen según la proveniencia en aguas residuales domésticas y aguas
residuales industriales.
Las aguas residuales domésticas reciben en la actualidad tres tipos de tratamientos: primario o
físico, secundario o biológico y terciario o especializado, con el objetivo de eliminar la cantidad de
residuos sólidos y la demanda bioquímica de oxígeno (cantidad de oxígeno requerida por una
población microbiana para estabilizar la materia orgánica biodegradable; en otras palabras, la DBO
es una medida de la carga de materia orgánica que tiene una corriente de agua residual).
El problema de manejar de manera adecuada las aguas residuales industriales es más complejo y
mucho más difícil que el de las aguas residuales domésticas. Se requieren estudios económicos y
técnicos para determinar la manera menos costosa de cumplir con los requerimientos legales y de
reducir los gastos, o de lograr una ganancia al recuperar materiales vendibles. Otros factores,
como la reducción de los valores de los terrenos, el peligro para los habitantes, así como la
destrucción de la vida silvestre, están también incluidos.
La gran variedad de desechos químicos producidos en las fábricas, hace obligatorio el tratamiento
específico en muchos casos. Algunas prácticas de tipo general se encuentran en operación en
diversos campos. Una de ellas consiste en almacenar los desechos o confinarlos en lagunas. Esto
puede servir para varios propósitos diferentes. En las fábricas donde se tengan desechos ácidos o
básicos, se reduce el costo de neutralización. En las plantas que tienen aguas de desecho que
contengan grandes cantidades de materia orgánica (por ejemplo, fábricas de papel) esto resulta en
una disminución de la materia en suspensión y en una reducción de la DBO (demanda bioquímica
de oxígeno). El empleo de agentes floculantes (como el alumbre, Al2SO4) para eliminar sólidos
suspendidos, y la aireación para reducir la DBO, son comunes en muchas industrias.
Un problema general de todas las industrias es la disposición de los desechos que se obtienen
como resultado del tratamiento de ablandamiento del agua. Los lodos de cal pueden arrojarse en
lagunas y sedimentarse, o se pueden desaguar y calcinar para reutilizarlos. Este lodo encuentra
una aplicación en la absorción de aceites de otros desechos. La salmuera aplicada en la
regeneración de las plantas de intercambio iónico bien puede almacenarse y después verterse en
los ríos, por dilución controlada, cuando hay crecidas. Cuando la industria utiliza materias primas
de complicada naturaleza orgánica, puede aplicarse un proceso de lodos activados para tratar los
desechos. Este proceso puede adaptarse a desechos de enlatadoras, plantas empacadoras de
carne, plantas de procesamiento de leche, plantas extractoras de grasa, etc.
Muchos compuestos orgánicos son tóxicos, resistentes a la degradación natural y requieren un
manejo especial antes de que sean descargados con seguridad. Una técnica para eliminar estos
materiales tóxicos de las aguas residuales consiste en absorberlos en carbón activado o en una
resina polimérica porosa. Es frecuente que el material orgánico pueda quitarse de la resina por
medio de un solvente adecuado, para después reciclarlo. El proceso ha dado buenos resultados en
tratamiento de aguas residuales que contienen plaguicidas clorados.
Los residuos de las curtiembres pueden tratarse por floculación y sedimentación o filtración. Los
desechos de las plantas cerveceras son tratados por medio de filtros percoladores para reducir la
DBO y retirar la mayor parte de los sólidos suspendidos. Las plantas papeleras tienen un serio
problema, en especial el referente al tratamiento de desechos de sulfitos. El procesamiento de los
desechos de las grandes plantas químicas es extremadamente complejo debido a la gran división
de productos químicos fabricados. Por ejemplo, la Dow Chemical Co., en Michigan, manufactura
más de 400 productos químicos en 500 plantas de proceso y laboratorios, lo que arrojaba en 1988
un total de 757 000 m3/día de aguas residuales. En muchos casos se neutralizan desechos ácidos
con desechos básicos. Muchos de los desechos conviene que sean tratados en la fuente, con la
idea de recuperar materiales valiosos y subproductos. La Kodak elimina la contaminación de ríos
mediante el empleo de tanques de clarofiltración, de la filtración de lodos y de la disposición de
tortas, también emplea el intercambio iónico para regenerar el ácido fosfórico usado como
electrolito en el anodizado de hojas de aluminio.
El tratamiento anaeróbico es útil para un amplio cúmulo de desechos orgánicos y, como ganancia,
produce gas combustible rico en metano, que puede quemarse en plantas de energía. En el
tratamiento de los residuos industriales se ha hecho hincapié en la recuperación de materiales
útiles. Los desechos de la fermentación, después de ser evaporados y secados se venden como
alimento para animales. El empleo de intercambiadores iónicos promete la recuperación de cromo
y de otros metales de los procedimientos de galvanizado. El sulfato ferroso se obtiene en gran
proporción en operaciones de baño químico. El costo de la energía es una consideración muy
importante en cualquier método de disposición de desechos.
En el pasado, las corrientes de desecho o los lodos que tenían productos químicos peligrosos se
vertían en pozos profundos, se arrojaban al océano o se almacenaban en rellenos. Todos estos
métodos son objetables por una u otra razón, y en los nuevos reglamentos se exigen métodos
alternativos de disposición.
La oxidación con aire húmedo es uno de estos métodos, y ofrece la oportunidad de recuperar
productos químicos inorgánicos. La oxidación se lleva a cabo en medio acuoso a temperaturas
entre 200 y 300 °C. El agua residual reacciona con aire comprimido. Se aprovecha el calor
desprendido de la reacción para elevar la temperatura del reactor. El tiempo y temperatura
dependen del desecho.
1.5.2
Desechos sólidos industriales.
La mayor parte de los desechos sólidos se separan como lodos de los procesos o de las aguas
residuales y deben ser tratados para hacerlos relativamente inocuos antes de disponer de ellos. Lo
materiales peligrosos incluyen desde sales inorgánicas, compuestos orgánicos hasta materiales
radiactivos. Cada tipo de material puede requerir un tratamiento diferente. Por lo común, el lodo se
desagua centrifugándolo, por filtración o por tratamiento térmico. La digestión aeróbica o
anaeróbica puede eliminar algunos compuestos orgánicos de los procesos orgánicos,
petroquímicos y papeleros, para así reducir la DBO del lodo resultante. Sin embargo, muchos
compuestos inorgánicos y algunos materiales orgánicos deben fijarse químicamente. La
neutralización de los ácidos o de las bases es un método común.
La oxidación de muchos compuestos los puede convertir en productos inocuos, pero la toxicidad de
otros compuestos no se destruye con tanta rapidez. Otro método para inactivar los materiales
peligrosos es enlazarlos a una matriz química que sea impermeable a la penetración del agua. La
incineración en seco o en húmedo es un camino muy utilizado. La pirólisis (desintegración sin
oxidación) es prometedora, pero no ha sido exitosa ni técnica ni económicamente, cuando se usa
en disposición de basuras y llantas.
Los desechos radiactivos han causado problemas difíciles para su disposición. La vitrificación y la
granulación se emplean hoy para eliminar la necesidad de almacenar materiales radiactivos
líquidos y, por tanto, la posibilidad de que el desecho se filtre a través de un recipiente deteriorado.
Los rellenos y almacenamiento en formaciones geológicas profundas, han sido los métodos más
comunes de disposición. Sin embargo, las dudas de carácter ecológico aparecen y se realiza una
intensa investigación para encontrar métodos adecuados y seguros para disponer este tipo de
desecho.
Las bolsas de desechos desempeñan una función útil para encontrar clientes para los mismos. Por
medio de estas bolsas se publican listas de desechos disponibles para reutilizarlos, así como de
las compañías que buscan materiales de desechos en particular; la bolsa procede como
intermediaria entre las dos partes. Las compañías de disposición de desechos se vuelven cada día
más activas en el negocio de la disposición de desechos químicos. Resultan especialmente útiles
para las compañías pequeñas. Que no tienen instalaciones para almacenar sus propios desechos.
1.5.3
Contaminación del aire.
La contaminación atmosférica es un problema global. Entre las muchas causas de la
contaminación del aire se encuentran las operaciones industriales, la generación de potencia y
electricidad, los vehículos de transporte y la incineración de desperdicios y desechos realizada por
los ciudadanos. Actualmente hay siete contaminantes del aire, ellos son: ozono, monóxido de
carbono, hidrocarburos, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, plomo y material particulado fino.
Muchos materiales contaminantes pueden ser eliminados en el sitio de su producción, por ejemplo,
en el tubo de escape de un automóvil, antes de que se forme el humo. Para esto se han producido
postquemadores catalíticos. Los sistemas catalíticos de escape se instalaron en los autos modelo
1975 en Estados Unidos para cumplir con los lineamientos de emisión de la EPA para
hidrocarburos y monóxido de carbono. El empleo de los sistemas catalíticos de escape requiere
gasolina libre de plomo, de modo que el catalizador no sea envenenado.
Los contaminantes del aire que emanan de los procesos químicos y de otras instalaciones
industriales pueden ser gases, neblinas (partículas líquidas menores de 10 ?m de diámetro),
partículas de rocío (partículas líquidas mayores de 10 ?m), material particulado, vahos o
combinaciones de los anteriores. Los precipitadores electrostáticos se emplean mucho para
recolectar polvo, junto con colectores de bolsas, ciclones y lavadores.
De los contaminantes gaseosos que se desprenden de los procesos químicos, el dióxido de azufre
es el que ha recibido mayor atención. El SO2 ha sido descargado en la atmósfera en grandes
cantidades por las plantas de energía que consumen carbón y petróleo que contienen azufre. Entre
otras fuentes, se encuentran los procesos de tostación de minerales para la producción de plomo,
cobre y zinc, así como las plantas de ácido sulfúrico. La industria de la energía produce la mayor
contaminación. Para resolver el problema, un enfoque posible consiste en la desulfuración del
combustible, antes de emplearlo en una caldera. Esto se ha empleado durante años en la industria
petrolera para producir aceite con bajo contenido de azufre; sin embargo, la desulfuración del
carbón sigue en proceso de investigación.
Se han diseñado varios procesos de eliminación de SO2 contenido en gases de las chimeneas de
plantas grandes. Se han empleado el lavado con lechada de piedra caliza, la conversión catalítica
de SO2 a SO3, el lavado de tipo secador de rocío, el lavado seco con nahcolita o con otros agentes
alcalinos similares, la reacción de SO2 con sulfito de sodio para formar bisulfito de sodio a
temperaturas relativamente bajas y la absorción de SO2 por una solución de citrato de sodio.
La eliminación de SO2 y de los NOx de los gases efluentes de la combustión del carbón y del
petróleo se ha convertido en una cuestión ecológica muy importante. Se han construido chimeneas
cada vez más altas para descargar los contaminantes muy arriba de la atmósfera, de modo que no
contaminen el aire circundante. Sin embargo, los gases nocivos son atrapados por los vientos
dominantes y se convierten ácidos nítrico y sulfúrico por contacto con la humedad del aire, para
luego depositarse como lluvia ácida, alejados de su fuente. Esta lluvia tiene un pH que oscila entre
1.5 y 4.0; su efecto en la vida vegetal y marina es desastroso y ciertamente no es deseable para
los humanos. Los bosques se deterioran, en primer lugar, por la disminución de los
microorganismos del suelo que fijan el nitrógeno. Los peces que habitan los lagos donde cae esta
lluvia enferman y mueren.
1.6
Diagramas de flujo.
Para la mayoría de los estudiantes, el diagrama de flujo es una hoja impresa de un libro que
contiene una serie de símbolos, cada uno de los cuales describe en forma simple una parte del
equipo industrial. Los símbolos están interconectados por segmentos de línea recta, dispuestos en
trayectorias oblicuas y tortuosas. El mencionado diagrama de flujo cualitativo, descrito de esta
manera se emplea frecuente y útilmente para ilustrar la organización general de un proceso
fisicoquímico, pero en la industria tiene poco valor.
Para el ingeniero del tipo estudiante en práctica, un diagrama de flujo es muy diferente. Aún
cuando pueda ser de diferentes tipos (de procesos, mecánico, de instrumentación, etc.), el
diagrama de flujo del proceso es un instrumento clave para definir, refinar y documentar un proceso
fisicoquímico.
El diagrama de flujo del proceso es el esquema autorizado del proceso, el armazón para estimar el
costo y la fuente de especificaciones utilizada en el diseño y designación del equipo. Adquiere el
status de escritura cuando está ya canonizada en su forma final a través de un exhaustivo cálculo y
vigorosa discusión; es el único documento autorizado que se emplea para definir, construir y operar
el proceso químico.
Imitando a un periódico famoso, un folleto muy sencillo imprimió el lema en su encabezado: “Todas
las noticias importantes están impresas”. Esto, en muchos aspectos describe la disposición de un
diagrama de flujo industrial. A diferencia de los documentos cualitativos, que a menudo están
distorsionados por necesidad para que se ajusten a las limitaciones de una página impresa, el
tamaño en sí del diagrama se amplía para acomodar los detalles necesarios. En la práctica
convencional, los diagramas de flujo de tamaño muy grande se doblan y se guardan en bolsas
especiales junto con el reporte de diseño. En reportes o procesos menos elaborados o cuando la
ilustración es más importante que la precisión y el detalle, se emplean copias reducidas y hojas
dobles. Los diagramas de plantas muy grandes o muy complejas, exceden la capacidad de una
simple y maniobrable hoja de papel, y se representan con segmentos o módulos de los procesos
(cada uno en una hoja separada) relacionados el uno con el otro por m
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