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La industria química abarca aquellas instalaciones de fabricación cuyos productos resultan de (a) reacciones químicas entre materiales orgánicos, inorgánicos o ambos; (b) extracción, separación o purificación de un producto natural, con o sin la ayuda de reacciones químicas; (c) la preparación de mezclas de materiales formulados específicamente, ya sean naturales o sintéticos. Ejemplos de productos de la industria química son plásticos, resinas, tintes, productos farmacéuticos, pinturas, jabones, detergentes, petroquímicos, perfumes, materiales inorgánicos y materiales orgánicos sintéticos.
Muchos de estos procesos implican una serie de operaciones unitarias de ingeniería química dependiendo de la definición de tamaño de una planta, así como reacciones químicas básicas (procesos) como la polimerización, oxidación, reducción, hidrogenación, entre otros. La industria química global tiene un valor de un billón y medio de dólares estadounidenses hoy en día, con más de 70,000 productos comerciales. El comercio mundial total de productos químicos tiene un valor de 400 mil millones de dólares estadounidenses, lo que representa el 10 por ciento del valor del comercio global [I].
Los tres sectores más grandes dentro de la industria química mundial son los petroquímicos, los productos farmacéuticos y los productos químicos de rendimiento. Los petroquímicos dominan la industria química mundial con una participación del 30 por ciento, seguidos por los productos farmacéuticos (16.5 por ciento) y los productos químicos de rendimiento (16 por ciento). La Unión Europea (UE), Estados Unidos y Alemania son los tres principales fabricantes, seguidos de Japón, Francia, Reino Unido, Italia y otros países asiáticos. Sin embargo, ha habido un cambio significativo en la demanda mundial de productos químicos, pasando de las naciones industrializadas a los países en desarrollo, y el traslado de la fabricación de productos químicos básicos de las regiones industrializadas a Asia-Pacífico y China [2].
La industria química en su conjunto contribuye enormemente al bienestar y el empleo en todo el mundo. La Unión Europea (UE) es el mayor productor químico del mundo, representando casi un tercio de la producción mundial estimada. En toda la UE, alrededor de 1.7 millones de personas están empleadas en unas 25,000 empresas químicas y la industria proporciona empleo adicional en una amplia gama de industrias relacionadas [2]. Las industrias químicas, petroquímicas y farmacéuticas de Estados Unidos juntas tenían más de 13,000 establecimientos, más de un millón de empleados y un valor total de envíos de aproximadamente 406.9 mil millones de dólares estadounidenses [3]. Además, muchos países asiáticos y latinoamericanos han crecido rápidamente y se han convertido en competidores internacionales en la industria química. En consecuencia, la industria química global se encuentra entre las industrias más competitivas del mundo.
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Los vestigios más antiguos de una industria química se encontraron en la Edad Media y se basaban principalmente en el conocimiento y habilidad para producir velas, jabones, pinturas y medicamentos. En sus inicios, la fabricación de estos productos era un asunto casero que buscaba satisfacer las necesidades de uno o más hogares. La producción química adquirió importancia como industria a finales del siglo XVIII, pero se mantuvo pequeña debido a que muchos fabricantes no tenían la capacidad para una producción continua y a gran escala. La evolución de lo que conocemos como la industria química moderna comenzó más recientemente.
A lo largo de los siglos XIX y XX, los químicos desempeñaron un papel clave en la expansión de los límites del conocimiento en medicina e industria, y en la creación de productos como la aspirina, los polímeros sintéticos y los cauchos. El descubrimiento del primer colorante sintético, el malva, en la década de 1860 por W. H. Perkins resultó ser fundamental en la evolución de la industria química orgánica en el Reino Unido y Alemania. El amanecer del siglo XX trajo cambios fundamentales, principalmente como resultado del énfasis en la investigación de los aspectos aplicados de la química en Alemania y Estados Unidos. Los emprendedores aprovecharon al máximo el creciente conocimiento científico para revolucionar la industria química en su conjunto.
La industria química orgánica ha experimentado un crecimiento notable desde 1940 como resultado del desarrollo y crecimiento de los sectores de refinación de petróleo y petroquímica. El rápido crecimiento de la petroquímica en las décadas de 1960 y 1970 se debió en gran medida al enorme aumento en la demanda de polímeros sintéticos. La industria química de hoy en día es altamente intensiva en investigación y desarrollo (I+D), al tiempo que produce una alta tasa de innovación, lo que contribuye significativamente a la economía. Sin embargo, la industria química puede considerarse como una industria manufacturera madura, después de su rápido crecimiento en las décadas de 1960 y 1970, lo que ha frenado los retornos de las inversiones de alto riesgo en I+D.
Además, muchos de los procesos básicos para producir productos químicos intermedios clave han perdido su protección de patente a lo largo de los años, lo que ha permitido a otros países del mundo, que desean incursionar en esta área, adquirir sus propias plantas de fabricación. Como resultado, países productores de petróleo como Corea, México, Arabia Saudita y otros países de Oriente Medio han ingresado y han expandido rápidamente su producción de productos petroquímicos aromáticos intermedios, junto con los productos poliméricos finales como el polietileno, polipropileno, poliésteres y resinas epoxi. También hay un cambio creciente en la industria química mundial como consecuencia tanto del crecimiento rápido de la población como del desarrollo industrial de los países del sudeste asiático.
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La industria química es esencialmente una industria basada en la ciencia. Las tecnologías aplicadas en la industria química tienen sus raíces científicas bien establecidas, y el crecimiento de la industria ha estado estrechamente vinculado a descubrimientos científicos. Una de las principales razones del enorme crecimiento de la industria química en el mundo desarrollado ha sido su gran compromiso con la inversión en I+D. Esta inversión tradicional en I+D contribuye en gran medida a explicar la destacada tasa de crecimiento de la industria en el siglo XX y su destacado récord de aumento de productividad. La aplicación organizada de la ciencia a los problemas industriales ha dado lugar a una gran cantidad de nuevos productos, nuevos procesos y nuevas aplicaciones.
Las compañías químicas y farmacéuticas en Estados Unidos gastan alrededor de 18 mil millones de dólares anuales en I+D. La investigación científica y técnica realizada por estas industrias contribuye significativamente a hacer que la vida humana sea más segura, más larga, más fácil y más productiva.
La industria química produce muchos materiales que son esenciales para nuestras necesidades más fundamentales de alimentos, vivienda y salud. También produce productos de gran importancia para el mundo de alta tecnología de la informática, las telecomunicaciones y la biotecnología. El gobierno de Estados Unidos utiliza los siguientes ocho códigos de clasificación industrial estándar para categorizar las compañías químicas:
Productos químicos inorgánicos industriales.
Plásticos, materiales y sintéticos.
Medicamentos.
Jabones, limpiadores y productos de tocador.
Pinturas y productos relacionados.
Productos químicos orgánicos industriales.
Productos químicos agrícolas.
Productos químicos diversos.
La industria química desempeña un papel fundamental en la sociedad, proporcionando los materiales y productos necesarios para diversas áreas de nuestras vidas y contribuyendo al avance científico y tecnológico.
La fabricación de productos químicos se lleva a cabo en cantidades superiores a 10,000 libras. La industria química orgánica, que produce productos químicos que contienen carbono, es responsable de gran parte de esta diversidad.
La fabricación química ha sido emprendida por muchos tipos diferentes de empresas, en gran parte debido a su papel central en la industria. Los productos químicos se fabrican a partir de materias primas suministradas por una gran cantidad de industrias diferentes, incluyendo la industria petrolera, agrícola y minera. A su vez, los productos químicos mismos se utilizan como materias primas en casi todos los demás tipos de fabricación. La producción de productos químicos es atractiva para las empresas que buscan mejorar su materia prima de bajo valor (materias primas requeridas para un proceso industrial) a un producto químico rentable. Las compañías petroleras, en particular, están adquiriendo cada vez más posiciones destacadas en la industria química orgánica.
Las fusiones y adquisiciones (M&A, por sus siglas en inglés) han desempeñado un papel significativo en la evolución de la industria química. Antes de la Segunda Guerra Mundial, el fabricante alemán IG Farben era el mayor productor de productos químicos orgánicos del mundo. Después de la guerra, las potencias aliadas reestructuraron la industria alemana y se dividieron a IG Farben en sus principales empresas constituyentes: BASF, Bayer y Hoechst. Al mismo tiempo, el gobierno británico forzó una fusión de empresas sólidas como Brunner, Maud y Nobel con empresas mucho más débiles, como United Alkali y British Dyes, para establecer una gran empresa, Imperial Chemical Industries (ICI). En Estados Unidos, DuPont, durante la década de 1980, estuvo involucrado en más de 50 adquisiciones, invirtiendo más de 10 mil millones de dólares. La actividad total de fusiones y adquisiciones en Estados Unidos en 1999 alcanzó los 45 mil millones de dólares. Se estima que en el resto del mundo, las fusiones y adquisiciones sumaron 1.2 billones de dólares. Las fusiones y adquisiciones han desempeñado varios roles importantes en la industria química y han permitido que muchas empresas estadounidenses adquieran negocios extranjeros para obtener la presencia necesaria en los mercados mundiales locales.
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La química industrial obtiene materias primas de entornos naturales para convertirlas en intermediarios, que posteriormente sirven como base para todo tipo de industria. Hay cuatro fuentes de entorno natural:
a. La corteza terrestre (litosfera)
b. El entorno marino y oceánico (hidrosfera)
c. El aire (atmósfera)
d. Las plantas (biosfera)
Las materias primas derivadas de los recursos naturales mencionados se clasifican como renovables o no renovables. Los recursos renovables son aquellos que se regeneran por sí mismos, como los productos agrícolas, forestales, pesqueros y de vida silvestre. Sin embargo, si la tasa de consumo es tan alta que agota estos recursos, pueden convertirse en no renovables. Los recursos no renovables son aquellos que se forman a lo largo de largos períodos de tiempo geológico e incluyen metales, minerales y materiales orgánicos.
Hasta principios del siglo XX, los recursos renovables, como los materiales agrícolas, eran la principal fuente de materias primas para la fabricación de jabón, pintura, tinta, lubricantes, grasas, papel, tela, medicamentos y otros productos químicos. En la última parte del siglo XX, se añadió el suministro no renovable basado en combustibles fósiles como una alternativa. Esto se debió principalmente al desarrollo de nuevos productos como fibras sintéticas, plásticos, aceites sintéticos y petroquímicos, y a los grandes avances en catálisis y ciencia de polímeros. El uso de gas y petróleo ha aumentado en los últimos 30 años como resultado de un cambio completo de la tecnología de carbón a petróleo.
Sin embargo, los recientes avances científicos y técnicos en biotecnología están comenzando a inclinar el equilibrio nuevamente hacia las materias primas renovables. Según una sugerencia de un alto comité asesor federal de Estados Unidos, la producción de productos químicos y materiales a partir de materias primas bio-basadas aumentará rápidamente desde el nivel actual del 5 por ciento hasta el 12 por ciento en 2010, el 18 por ciento en 2020 y el 25 por ciento en 2030. Se estima que dos tercios de la industria química mundial de 1.5 billones de dólares eventualmente podrían basarse en fuentes bio-renovables, reemplazando así el petróleo y el gas natural como materia prima. Las materias primas renovables se utilizan para resolver problemas ambientales, ya que los productos derivados de ellas suelen ser más biodegradables y menos tóxicos. Sin duda, ofrecen un potencial para contribuir a la reducción de emisiones de varias formas. A diferencia de los productos a base de petróleo, las materias primas renovables no contribuyen al dióxido de carbono en la atmósfera, lo cual es cada vez más importante en relación al cambio climático y el calentamiento global.
Dado que cada proceso químico industrial está diseñado para producir económicamente un producto deseado a partir de una variedad de materias primas, la extracción económica y el uso de materias primas explotables son requisitos esenciales para una industria química. Estas materias primas generalmente requieren un pretratamiento y pueden someterse a una serie de pasos que involucran tratamiento físico, reacciones químicas, separación y purificación antes de su conversión en un producto deseado. La Figura 1.1 muestra una estructura típica de dicho proceso.
Como se ilustra en la Figura 1.1, la industria química orgánica requiere materias primas de recursos renovables o no renovables, y vende sus productos como materiales terminados o como intermediarios para su posterior procesamiento por otros fabricantes. Los dos pasos principales en la fabricación química son (1) la reacción química y (2) la purificación de los productos de la reacción.
Los principales tipos de reacciones químicas son de tipo lote o continuas. En las reacciones por lotes, los productos químicos reactantes se agregan al reactor (recipientes de reacción) al mismo tiempo y los productos se vacían por completo cuando la reacción ha terminado. Los reactores están hechos de acero inoxidable o acero al carbono revestido de vidrio y tienen tamaños que van desde 200 hasta varios miles de litros. Los reactores por lotes están equipados con un agitador para mezclar los reactivos, una chaqueta aislante y las tuberías y válvulas adecuadas para controlar las condiciones de reacción.
Los procesos por lotes generalmente se utilizan para la producción a pequeña escala. Estos procesos son más fáciles de operar, mantener y reparar. Los equipos por lotes se pueden adaptar a múltiples usos.
En los procesos continuos, los reactantes se agregan y los productos se retiran a una velocidad constante del reactor, de modo que el volumen de material reactivo en el reactor (recipiente de reacción) se mantenga constante. Por lo general, se utilizan dos tipos de reactores: el tanque de agitación continua o el reactor de tubería. Un reactor de tanque de agitación continua es similar al reactor por lotes descrito anteriormente. Un reactor de tubería es típicamente un tubo dispuesto en forma de bobina o hélice que está revestido con un fluido de transferencia de calor. Los reactivos entran por un extremo de la tubería, y los materiales se mezclan bajo un flujo turbulento y reaccionan a medida que pasan por el sistema. Los reactores de tubería son adecuados para reactivos que no se mezclan bien, ya que la turbulencia en las tuberías hace que todos los materiales se mezclen completamente.
Debido a que los procesos continuos requieren una cantidad sustancial de automatización e inversión de capital, este tipo de proceso se utiliza principalmente para producciones a gran escala.
Los productos de la reacción a menudo no se encuentran en una forma pura, utilizable por los clientes o los fabricantes posteriores. Por lo tanto, el producto deseado debe ser aislado y purificado mediante diversos métodos de separación y purificación. Los métodos comunes de separación incluyen filtración, destilación y extracción. También se utilizan múltiples métodos para lograr la pureza deseada.
La industria química orgánica es una industria de alta tecnología que utiliza los últimos avances en electrónica e ingeniería. Las computadoras se utilizan ampliamente en la automatización de plantas químicas, el control de calidad y la modelización molecular de estructuras de nuevos compuestos. Los recipientes para conversiones químicas, la formulación y el equipo para procesos de separación representan el mayor gasto único en las plantas químicas. La industria también compra grandes cantidades de elementos generalmente utilizados, como válvulas, bombas e instrumentos para registrar y controlar procesos y calidad del producto.
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La industria química orgánica utiliza y genera tanto un gran número como una gran cantidad de una amplia variedad de disolventes, partículas metálicas, vapores ácidos y monómeros no reaccionados. Estas sustancias químicas se liberan en todos los medios, incluyendo el aire, el agua y la tierra. Las posibles fuentes de emisiones de contaminantes por medio se muestran a continuación en la Tabla 1.2 [7].
Como resultado de la conciencia pública sobre los peligros de las sustancias químicas en el medio ambiente, la industria química es una de las más reguladas de todas las industrias. Las regulaciones tienen como objetivo proteger y mejorar la salud, la seguridad y el medio ambiente tanto de la población como de los trabajadores. Los grandes gastos actuales en control de la contaminación en el mundo desarrollado reflejan principalmente la intervención de los gobiernos con leyes estrictas. En Estados Unidos, estas leyes son aplicadas por la EPA. La legislación federal sobre control de la contaminación del aire y el agua en Estados Unidos proporciona pautas y capacitación de personal tanto en la industria privada como en las agencias gubernamentales. La EPA ha encontrado que los esfuerzos de la industria estadounidense para encontrar formas de reducir tanto el volumen como la toxicidad de sus desechos han resultado en una disminución sustancial de los costos de fabricación y una mejora en los rendimientos de producción, al tiempo que cumplen con las regulaciones gubernamentales.
Las mayores compañías químicas orgánicas a nivel mundial han estado promoviendo la prevención de la contaminación a través de diversos medios. Algunas empresas han implementado creativamente técnicas de prevención de la contaminación que mejoran la eficiencia y aumentan las ganancias al tiempo que minimizan los impactos ambientales. Esto se logra de muchas formas, como la reducción de insumos de materiales, la reingeniería de procesos para reutilizar subproductos, la mejora de las prácticas de gestión y la sustitución de sustancias químicas perjudiciales por otras menos tóxicas. Algunas instalaciones más pequeñas logran incluso estar por debajo de los límites reglamentarios simplemente reduciendo las emisiones de contaminantes mediante políticas agresivas de prevención de la contaminación. La mejor manera de reducir la contaminación es estudiar formas de prevenirla en la etapa de investigación y desarrollo. En esta etapa, se pueden examinar todas las posibles vías de reacción para producir el producto deseado. Estas pueden evaluarse en función del rendimiento, los subproductos indeseables y sus impactos en la salud y el medio ambiente. En general, los cambios realizados en la etapa de investigación y desarrollo tendrán el mayor impacto.