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.