PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES

1.1 PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES

Las industrias química y bioquímica fabrican productos que difieren en su composición de los alimentos, que son (1) materiales vivos o no vivos naturales, (2) productos químicos intermedios, (3) productos químicos de comercio o (4) productos de desecho. Especialmente comunes son las refinerías de petróleo (Figura 1.1), que producen una variedad de productos [1]. Los productos de, digamos, 150,000 bbl / día de petróleo crudo dependen de la fuente del crudo y los procesos de refinería, que incluyen destilación para separar crudo en fracciones o cortes de punto de ebullición, alquilación para combinar moléculas pequeñas en moléculas más grandes, reformación catalítica para cambiar la estructura de las moléculas de hidrocarburos, craqueo catalítico para separar moléculas grandes, hidrocraqueo para separar moléculas aún más grandes y procesos para convertir residuos de petróleo crudo en coque y fracciones más ligeras.

Una planta química o bioquímica se opera de forma discontinua, continua o semicontinua. Las operaciones pueden ser operaciones clave exclusivas de la ingeniería química porque implican cambios en la composición química u operaciones auxiliares, que son necesarias para el éxito de las operaciones clave pero que pueden ser diseñadas por ingenieros mecánicos porque las operaciones no implican cambios en la composición química. Las operaciones clave son (1) reacciones químicas y (2) separación de mezclas químicas. Las operaciones auxiliares incluyen separación de fases, adición o eliminación de calor (intercambiadores de calor), trabajo del eje (bombas o compresores), mezcla o división de corrientes, aglomeración de sólidos, reducción de tamaño de sólidos y separación de sólidos por tamaño. La mayoría del equipo en plantas bioquímicas o químicas está allí para purificar materia prima, productos intermedios y productos mediante las técnicas de separación que se analizan en este libro.

Los diagramas de flujo de bloques se usan para representar procesos. Indican, mediante bloques cuadrados o rectangulares, pasos de reacción química y separación y, mediante líneas de conexión, las corrientes de proceso. Se muestran más detalles en los diagramas de flujo de proceso, que también incluyen operaciones auxiliares y utilizan símbolos que representan el tipo de equipo empleado. En la figura 1.2 se muestra un diagrama de flujo de bloques para fabricar gas cloruro de hidrógeno a partir de cloro e hidrógeno [2]. Un elemento central del proceso es un reactor, donde la reacción de combustión en fase gaseosa, H2+Cl2 →2HCl, ocurre. El equipo auxiliar requerido consiste en bombas, compresores y un intercambiador de calor para enfriar el producto. No son necesarias operaciones de separación debido a la conversión completa de cloro. Se usa un ligero exceso de hidrógeno, y el producto, 99% de HCl y pequeñas cantidades de H2, N2, H2O, CO y CO2, no requieren purificación. Tales procesos simples que no requieren operaciones de separación son muy raros, y la mayoría de los procesos químicos y bioquímicos están dominados por equipos de separación.

Muchos procesos químicos industriales implican al menos un reactor químico, acompañado de uno o más trenes de separación [3]. Un ejemplo es la hidratación continua de etileno a alcohol etílico [4]. Un elemento central del proceso es un reactor lleno de partículas de catalizador, que funcionan a 572 K y 6,72 MPa, en el que la reacción, C2H4 + H2O→ C2H5OH, ocurre. Debido a las limitaciones de equilibrio, la conversión de etileno es solo del 5% por paso a través del reactor. Sin embargo, al recuperar etileno sin reaccionar y reciclarlo en el reactor, se logra la conversión casi completa de la alimentación de etileno.

El reciclaje es un elemento común de los procesos químicos y bioquímicos. Si se dispusiera de etileno puro como materia prima y no se produjeran reacciones secundarias, podría realizarse el proceso simple de la Figura 1.3. Este proceso utiliza un reactor, un condensador parcial para recuperación de etileno y destilación para producir alcohol etílico acuoso de composición casi azeotrópica (93% en peso). Desafortunadamente, las impurezas en la alimentación de etileno y las reacciones secundarias que involucran etileno y las impurezas del alimento tales como propileno para producir éter dietílico, alcohol isopropílico, acetaldehído y otros químicos se combinan para aumentar la complejidad del proceso, como se muestra en la Figura 1.4. Después de la reacción de hidratación, un condensador parcial y un absorbedor de agua a alta presión recuperan etileno para reciclar. La presión del líquido desde el fondo del absorbedor se reduce, causando vaporización parcial. El vapor se separa del líquido restante en el tambor de flash de baja presión, cuyo vapor se lava con agua para eliminar el alcohol del gas de ventilación. El etanol bruto que contiene dietil éter y acetaldehído se destila en la columna de destilación en bruto y se hidrogena catalíticamente para convertir el acetaldehído en etanol. El éter dietílico se elimina en la torre de los extremos ligeros y se restriega con agua. El producto final se prepara por destilación en la torre de purificación final, donde se extrae el 93% en peso de producto acuoso de etanol varias bandejas debajo de la bandeja superior, los extremos ligeros se concentran en la denominada bandeja de pasteurización sobre la bandeja de extracción de producto y se recicla al reactor de hidrogenación catalítica, y las aguas residuales se eliminan con los fondos. Además del equipo que se muestra, es posible que se necesite equipo adicional para concentrar la alimentación de etileno y eliminar las impurezas que envenenan el catalizador. En el desarrollo de un nuevo proceso, la experiencia muestra que, en general, se necesitan más pasos de separación de los previstos originalmente. El etanol también se produce en procesos de fermentación bioquímica que comienzan con materia vegetal como la cebada, el maíz, la caña de azúcar, el trigo y la madera.

A veces, una operación de separación, como la absorción de SO2 por la suspensión de piedra caliza, va acompañada de una reacción química que facilita la separación. La destilación reactiva se analiza en el Capítulo 11.

Más del 95% de las operaciones de separación de productos químicos industriales involucran mezclas de alimentos de productos químicos orgánicos de carbón, gas natural y petróleo, o efluentes de reactores químicos que procesan estas materias primas. Sin embargo, la preocupación se ha expresado en los últimos años porque estas materias primas fósiles no son renovables, no permiten el desarrollo sostenible y dan como resultado la emisión de contaminantes atmosféricos como partículas y compuestos orgánicos volátiles (VOC). Muchos de los mismos productos químicos orgánicos se pueden extraer de la biomasa renovable, que se sintetiza bioquímicamente por las células en las reacciones agrícolas o de fermentación y se recupera mediante bioseparaciones. Los componentes de la biomasa incluyen carbohidratos, aceites y proteínas, y los carbohidratos se consideran las materias primas predominantes para futuras biorrefinerías, que pueden reemplazar a las refinerías de carbón y petróleo si la economía resulta favorable [18, 19, 20].

Los procesos bioquímicos difieren significativamente de los procesos químicos. Los reactores para estos últimos funcionan normalmente a temperaturas y presiones elevadas usando catalizadores metálicos o químicos, mientras que los reactores para los primeros típicamente operan en soluciones acuosas en o cerca del estado normal, sano, no patológico (es decir, fisiológico) de un organismo o bioproducto. Los valores fisiológicos típicos para el organismo humano son 37ºC, 1 atm, pH de 7,4 (el del plasma sanguíneo arterial), contenido general de sal de 137 mM / l de NaCl, 10 mM / l de fosfato y 2,7 ​​mM / l de KCl. Las condiciones fisiológicas varían con el organismo, el componente biológico y / o el entorno de interés.

Los biorreactores hacen uso de enzimas catalíticas (productos de síntesis de polipéptidos in vivo) y requieren tiempos de residencia de horas y días para producir caldos acuosos cargados de partículas que se diluyen en bioproductos que generalmente requieren un promedio de seis pasos de separación, utilizando tecnología menos madura, para producir los productos finales.

Los bioproductos de los reactores de fermentación pueden estar dentro del microorganismo (intracelular) o en el caldo de fermentación (extracelular). De mayor importancia es el caso extracelular, que puede usarse para ilustrar la diferencia entre los procesos de separación química del tipo mostrado en las Figuras 1.3 y 1.4, que utilizan la tecnología más madura de los capítulos anteriores en la Parte 2 de este libro, y las bioseparaciones, que a menudo usan la tecnología menos madura presentada en las Partes 3, 4 y 5.

Considere la fabricación de ácido cítrico. Aunque se puede extraer de los limones y las limas, también se puede producir en cantidades mucho mayores mediante la fermentación aeróbica sumergida de almidón. Como en la mayoría de los bioprocesos, se requiere una secuencia de reacciones para pasar de la materia prima al bioproducto, cada reacción catalizada por una enzima producida en una célula viva a partir de su ADN y ARN. En el caso del ácido cítrico, la célula es una cepa de Aspergillus niger, un hongo eucariótico. El primer paso en la reacción es la hidrólisis del almidón a 28 ° C y 1 atm en un medio acuoso a un sustrato de dextrina usando la enzima a-amilasa, en ausencia del hongo. Luego se agrega al reactor una pequeña cantidad de células de hongos viables, llamadas inóculo. A medida que las células crecen y se dividen, la dextrina se difunde desde los medios acuosos que rodean las células y cruza la pared celular del hongo en el citoplasma de la célula. Aquí una serie de reacciones bioquímicas interrelacionadas que comprenden una vía metabólica transforma la dextrina en ácido cítrico.

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