La industria química

Introducción

Una de las características centrales de la industria química es que ha experimentado un flujo continuo de innovaciones de procesos y productos, adquiriendo así una gama muy diversa de productos.

Los procesos químicos como el teñido, el curtido de cuero y la elaboración de cerveza ya se conocían en la antigüedad, pero no fue hasta alrededor de 1800 que la industria química moderna comenzó en el Reino Unido. Esta fue desencadenada por la revolución industrial, que comenzó en Europa con la mecanización de la industria textil, el desarrollo de técnicas de fabricación de hierro y el mayor uso del carbón refinado, lo cual se extendió rápidamente por todo el mundo.

La industria química

Hagamos un repaso de los hitos mas destacados en la industria química

1746

John Roebuck comienza a producir ácido sulfúrico moderadamente concentrado en el proceso de la cámara de plomo a escala industrial.

1789

Nicholas LeBlanc desarrolla un proceso para convertir cloruro de sodio en carbonato de sodio. En muchos sentidos, este proceso comenzó la industria química moderna. Desde su adopción en 1810, se mejoró continuamente durante los siguientes 80 años, hasta que fue reemplazado por el proceso Solvay.

1831

Peregrine Phillips patenta el proceso de contacto para la fabricación de ácido sulfúrico concentrado, la primera mención de catálisis heterogénea para un proceso a gran escala. Por varias razones, el proceso solo se convirtió en un éxito a fines del siglo XIX.

1850

La primera refinería de petróleo, que consta de un barril de un barril, está construida en Pittsburgh, Pensilvania, EE. UU., Por Samuel Kier.

Refinería

1856

Buscando hacer quinina, William Henry Perkin, a la edad de 18 años, sintetiza el primer tinte de anilina sintética, mauveine, a partir de alquitrán de hulla. Este descubrimiento es la base de la industria de síntesis de colorantes, una de las primeras industrias químicas exitosas.

1863

Ernest Solvay perfecciona su método para producir carbonato de sodio. Este proceso comenzó a reemplazar el proceso de Leblanc en 1873.

1864

El gobierno británico aprueba la "Ley de obras alcalinas" en un esfuerzo por controlar las emisiones ambientales; El primer ejemplo de regulación ambiental.

1874

Henry Deacon desarrolla el proceso de Deacon para convertir el ácido clorhídrico en cloro.

1900

Con la llegada de la generación de energía eléctrica a gran escala, nace la industria del cloroalcalino.

1905

Fritz Haber y Carl Bosch desarrollan el proceso Haber (a veces denominado proceso Haber-Bosch) para producir amoníaco a partir de sus elementos, un hito en la química industrial. El proceso se comercializó por primera vez en 1910.

Fertilizantes químicos obtenidos por el proceso Haber-Bosch

1907

Wilhelm Normann introduce la hidrogenación de las grasas (endurecimiento de las grasas).

1909

Leo Baekeland patenta la baquelita, el primer plástico comercialmente importante, que se comercializó poco después.

1920

Standard Oil Company comienza la producción industrial a gran escala de isopropanol a partir del petróleo, el primer proceso a gran escala que utiliza el petróleo como materia prima.

1923 

Metanol

Matthias Pier de BASF desarrolla un proceso de alta presión para producir metanol. Esto marca la aparición de la síntesis de productos químicos orgánicos de gran volumen.

Franz Fischer y Hans Tropsch desarrollan el proceso Fischer-Tropsch, un método para producir combustibles líquidos sintéticos a partir de gas de carbón. El proceso fue utilizado ampliamente por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial para la producción de combustible de aviación.

1926

Fritz Winkler introduce un proceso para la gasificación comercial de carbón de lecho fluidizado en una planta de BASF en Leuna, Alemania.

1930

La primera planta comercial de reforma de vapor es construida por Standard Oil Company.

Primera fabricación comercial de poliestireno por IG Farben.

Wallace Carrothers descubre nylon, la fibra sintética más famosa. La producción de DuPont comenzó en 1938; la producción se desvió inmediatamente a paracaídas durante la Segunda Guerra Mundial.

1931

Desarrollo del proceso de epoxidación de eteno para la producción de óxido de eteno.

1933

El polietileno se descubrió por accidente en ICI al aplicar una presión extremadamente alta a una mezcla de eteno y benzaldehído.

1934

Primer neumático de automóvil estadounidense producido a partir de un caucho sintético, neopreno.

Neumáticos

1936

Eugene Houdry desarrolla un método de craqueo catalítico a escala industrial de fracciones de petróleo, que conduce al desarrollo de la primera refinería de petróleo moderna. La modificación más importante fue la introducción del craqueo catalítico fluido en 1941.

1938

Comercialización del proceso de alquilación para la producción de alquilato de alto octanaje.

Otto Roelen descubre la reacción de hidroformilación para la formación de aldehídos a partir de alquenos.

1939

Inicio de la producción a gran escala de polietileno de baja densidad (LDPE) en ICI.

Inicio de la producción a gran escala de poli (cloruro de vinilo) (PVC) en Alemania y EE. UU.

1940

Standard Oil Company desarrolla reforma catalítica para producir gasolina de mayor octanaje.

1953

Karl Ziegler presenta el catalizador Ziegler para la producción de polietileno de alta densidad (HDPE).

1954

Introducción de catalizadores a base de cromo para la producción de HDPE por petróleo Phillips. Este proceso se convirtió en la mayor fuente de polieteno del mundo en 1956.

1955

Inicio de la producción a gran escala de poli (tereftalato de eteno (PET).

1957

Primera producción comercial de polipropileno isotáctico. Hecho posible por el desarrollo del catalizador Ziegler.

1960

Comercialización de dos procesos industrialmente importantes: eteno a acetaldehído (Wacker) y producción de acrilonitrilo (SOHIO).

1963

BASF desarrolla el primer proceso comercial de carbonilación de metanol para la producción de ácido acético basado en un catalizador de cobalto homogéneo. En 1970, Monsanto construye la primera planta de metanol-carbonilación basada en un catalizador de rodio homogéneo.

1964

Se desarrollan muchos catalizadores y procesos nuevos y mejorados, por ejemplo, un catalizador de zeolita para el craqueo catalítico (Mobil Oil) y la metátesis de alquenos.

1966

Primera síntesis de metanol a baja presión comercializada por ICI.

1970

Invención continua de procesos y catalizadores nuevos y mejorados.

Nacimiento de catálisis ambiental. Desarrollo de un convertidor catalítico para gases de escape del motor Otto (1974).

Crisis energéticas (1973 y 1979).

Inicio de la producción de bioetanol a gran escala en Estados Unidos y Brasil.

1980s

Se introducen varios procesos catalíticos nuevos. Una de las más importantes es la reducción catalítica selectiva (SCR) para controlar las emisiones de NOx. Un desarrollo revolucionario en la polimerización es el desarrollo de un proceso para la producción de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) por Union Carbide y Shell.

La biotecnología emerge.

1990s

Sumio Iijima descubre un tipo de fullereno cilíndrico conocido como nanotubo de carbono (1991). Este material es un componente importante en el campo de la nanotecnología.

Reducción mejorada de NOx en gases de escape por trampa de NOx (Toyota).

2000s

Introducción de la reducción de hollín para motores diesel por Peugeot (2000).

Producción ultra eficiente de productos químicos a granel.

La química verde y la sostenibilidad, incluida la conversión de biomasa, se convierten en temas candentes.

Nuevos paradigmas y conceptos.

Tecnología del producto.

Intensificación de procesos.

Buscando la Sustentabilidad

Productos químicos

Los productos químicos son esenciales para los estándares de vida modernos. Casi todos los aspectos de la vida cotidiana están respaldados por productos químicos de una forma u otra. Sin embargo, la sociedad tiende a dar estos productos por sentado, a pesar de que una alta calidad de vida depende fundamentalmente de ellos. Los productos químicos se pueden dividir en tres grandes clases:

Productos químicos a granel o productos básicos

se producen en grandes volúmenes y se compran en función de la composición química, la pureza y el precio. Ejemplos son ácido sulfúrico, nitrógeno, oxígeno, etileno y cloro.

Productos químicos finos

Se producen en pequeños volúmenes y se compran en función de la composición química, la pureza y el precio. Ejemplos son el óxido de cloropropileno (utilizado para la fabricación de resinas epoxi, resinas de intercambio iónico y otros productos), dimetilformamida (utilizada, por ejemplo, como disolvente, medio de reacción e intermedio en la fabricación de productos farmacéuticos), ácido n-butírico ( utilizado en bebidas, sabores, fragancias y otros productos) y polvo de titanato de bario (utilizado para la fabricación de condensadores electrónicos).

Especialidad o efecto o químicos funcionales

Estos se compran debido a su efecto (o función), en lugar de su composición química. Ejemplos son productos farmacéuticos, pesticidas, colorantes, perfumes y aromatizantes.

Las diferentes clases de productos químicos tendrán un valor agregado muy diferente (la diferencia entre el precio de venta del producto y el costo de compra de las materias primas). Los productos químicos tienden a tener un bajo valor agregado, mientras que los productos químicos finos y especiales tienden a tener un alto valor agregado. Los productos químicos tienden a producirse en grandes volúmenes con bajo valor agregado, mientras que los productos químicos finos y especiales tienden a producirse en pequeños volúmenes con alto valor agregado.

Estructura de la industria química

Árbol de la industria química

En la industria química, las materias primas se convierten en productos para otras industrias y consumidores. La gama de productos es enorme, pero la gran mayoría de estos productos químicos, alrededor del 85%, se producen a partir de un número muy limitado de productos químicos simples llamados productos químicos básicos, que a su vez se producen a partir de solo unas diez materias primas. Estas materias primas se pueden dividir en materiales inorgánicos y orgánicos. Las materias primas inorgánicas incluyen aire, agua y minerales. El petróleo, el carbón, el gas natural, en conjunto denominados combustibles fósiles, y la biomasa pertenecen a la clase de materias primas orgánicas. La conversión de productos químicos básicos puede producir unos 300 intermedios diferentes, que siguen siendo moléculas relativamente simples. Tanto los productos químicos básicos como los intermedios pueden clasificarse como productos químicos a granel. Se pueden obtener una amplia variedad de productos químicos avanzados, productos químicos industriales especiales y productos de consumo mediante pasos de reacción adicionales.

Tomemos el ejemplo de la industria petroquímica. Clic para ver el diagrama en pdf. El petróleo crudo y el gas natural son las principales materias primas para la producción de la mayoría de los productos químicos orgánicos a granel. La primera etapa en la industria petroquímica es la conversión de estas materias primas en productos químicos básicos:

• alquenos inferiores: eteno, propeno, butadieno;
• aromáticos: benceno, tolueno, xilenos ("BTX");
• gas de síntesis (mezcla de principalmente hidrógeno y monóxido de carbono), amoníaco, metanol.

Esta división también representa los procesos más importantes para la producción de estos productos químicos. Los alquenos inferiores se producen principalmente por craqueo al vapor de etano o nafta, mientras que los aromáticos se producen predominantemente en el proceso de reforma catalítica. El gas de síntesis, que es la materia prima para el amoníaco y el metanol, se produce principalmente mediante reformado con vapor de gas natural.

En la segunda etapa, se realiza una variedad de operaciones químicas, a menudo con el objetivo de introducir varios heteroátomos (oxígeno, cloro, azufre, etc.) en la molécula. Esto conduce a la formación de intermedios químicos, como ácido acético, formaldehído y óxido de eteno, y monómeros como acrilonitrilo, ácido tereftálico, etc.

Se necesita una serie final de operaciones, que a menudo consta de una serie de pasos, para obtener productos químicos avanzados, especialidades industriales y productos de consumo. Estos productos incluyen:

• plásticos: por ejemplo, poli (cloruro de vinilo) (PVC), poliacrilonitrilo;
• fibras sintéticas: por ejemplo, poliésteres como poli (tereftalato de eteno) (PET), nylon-6
• elastómeros: por ejemplo, polibutadieno;
• pinturas y recubrimientos;
• herbicidas, insecticidas y fungicidas (agroquímicos);
• fertilizantes: por ejemplo, nitrato de amonio;
• vitaminas
• sabores y fragancias;
• jabones, detergentes y cosméticos (productos químicos de consumo);
• productos farmacéuticos

En general, con cada etapa, la complejidad de las moléculas aumenta y el valor agregado de los químicos aumenta. Por supuesto, esta clasificación en tres etapas muestra excepciones. Por ejemplo, el eteno, un químico base formado a partir de hidrocarburos presentes en el petróleo, es un monómero para la formación directa de plásticos como el polietileno, por lo que no ocurre la segunda etapa. Otro ejemplo es el ácido acético. Dependiendo de su uso, puede clasificarse como un producto intermedio o de consumo.

Referencias

• Petrochemicals Europe (s.f.). Discover the Interactive Flowchart. Obtenido de: https://www.petrochemistry.eu/about-petrochemistry/flowchart/
• R. Smith (2005). Chemical Process Design and Integration. John Wiley.
• Spitz, P.H. (2003) The Chemical Industry at the Millennium: Maturity, Restructuring and Globalization. Chemical Heritage Press.
• Gary, J.H. and Handwerk, G.E. (1994) Petroleum Refining, Technology and Economics, 3Ed. Marcel Dekker, Inc.
• McKetta, J.J. and Cunningham, W.A. (eds) (1976) Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Marcel Dekker,