Fundamentos de los Procesos Industriales: Materias Primas, Tipos y Transferencias

Proceso Industrial: Definición y Etapas

Proceso industrial: conjunto de etapas requeridas para que las materias primas e insumos se transformen en productos, subproductos y residuos.

Las etapas de un proceso industrial son actividades unitarias donde se producen cambios físicos, químicos y transformaciones en determinadas condiciones: presión, temperatura, etc. Cada actividad requiere un equipo principal y equipos complementarios.

Actividades Básicas en la Industria Química

Las actividades básicas de la industria química son la extracción de materias primas y la preparación de intermediarios clave y productos terminados.

Problemas Comunes en la Industria

1. Se necesitan aparatos de diseño especial para permitir calentamiento y transferencias de masa apropiados y para prevenir la corrosión.
2. Puesto que a nivel industrial se utilizan grandes cantidades de sustancias, su costo es siempre una consideración primaria.
3. En la industria, los subproductos son reciclados o vendidos; en el laboratorio es usual que se descarten.
4. En la industria química se debe tener un cuidado especial en la seguridad de los trabajadores y en la disposición de materiales de alto riesgo.

Desarrollo de Procesos Industriales

En primer lugar, se prueba la reacción en el laboratorio para tener una estimación del rendimiento y el tiempo requerido.

Materias Primas Comunes en la Industria

Las materias primas más comunes son el aire, el agua de mar, la sal de roca, los minerales, el carbón mineral, el gas natural, el petróleo y la vegetación.

Aire

La composición del aire seco al nivel del mar es la fuente de seis gases de importancia industrial (N₂, O₂, Ne, Ar, Kr y Xe).

• La masa de la atmósfera de la Tierra es aproximadamente 5 × 10¹⁵ toneladas; por lo tanto, el suministro de sus gases es de hecho ilimitado.
• Solo el oxígeno y el nitrógeno se producen a gran escala.
• Los gases nobles se utilizan en la investigación química y para tener una atmósfera inerte en la recuperación de los metales y en la industria electrónica.

Agua de Mar

El océano es una enorme y extremadamente compleja disolución acuosa. En el océano hay unos 1.5 × 10²¹ L de agua de mar, de la que el 3.5 % en masa es material disuelto.

El agua de mar es una buena fuente de cloruro de sodio, magnesio y bromo (la concentración del bromo en el agua de mar es de unos 65 mg Br/kg de agua de mar).

Minerales

La gran mayoría de los elementos se obtienen de la corteza terrestre.

• Los metales reactivos y los no metales se obtienen por oxidaciones y reducciones químicas o electroquímicas.
• Los elementos menos reactivos como el platino, el oro y el azufre se presentan en estado elemental.
• Minerales baratos y abundantes como la piedra caliza (CaCO₃) y la dolomita (CaCO₃•MgCO₃) se utilizan en la industria del acero, en el tratamiento de aguas, en las industrias de la pulpa y el papel, en la agricultura y en muchas otras áreas.

Carbón Mineral

El carbón mineral, que se forma por la descomposición gradual de las plantas durante millones de años, está distribuido en todo el mundo.

Gas Natural y Petróleo

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos gaseosos (metano, etano y, en menor proporción, propano y butano).

• Se encuentra en depósitos de roca porosa (arena o piedra arenosa) recubiertos por estratos impermeables.
• A menudo, el gas natural se encuentra junto con el petróleo, ya que ambos se originan por la descomposición de la materia orgánica en los depósitos sedimentarios.

Vegetales

Muchos productos vegetales se utilizan en la industria química. Por ejemplo, los aceites naturales tales como el de castor, el de palma y el de oliva se usan en la fabricación de jabón y de la margarina. Durante la década de 1930, casi todo el etanol (C₂H₅OH) industrial se obtuvo por fermentación de los azúcares.

Tipos de Procesos Industriales

Existen dos tipos principales de procesos industriales: físicos y químicos.

Procesos Físicos

Los procesos físicos incluyen la transferencia de materia, la transferencia de energía y la transferencia simultánea de materia y energía, así como la transferencia de cantidad de movimiento.

Fuerza Impulsora en Procesos Físicos

• Materia: La fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones, etc., en el seno del fluido que estemos estudiando.
• Energía: La fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la masa.
• Cantidad de movimiento: La fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre dos zonas del fluido.

Procesos Químicos

En los procesos químicos, la fuerza impulsora se considera en relación al aspecto termodinámico.

• El aspecto cinético, la velocidad de la reacción química depende de la temperatura.

Transferencia de Materia

Los procesos de transferencia de materia se basan en el fenómeno de la difusión. Cuando se colocan dos fases que no se encuentran en equilibrio en relación con un determinado componente, dicho componente se transfiere de una a otra intentando alcanzar el equilibrio.

La separación tiene dos objetivos: separar una sustancia que esté impurificando un fluido, o separar un compuesto que tenga un valor intrínseco mayor estando libre o puro.

La separación se puede realizar con una membrana porosa en repetidas ocasiones, aunque no siempre es posible. La separación entre fases es más frecuente.

Tipos de Transferencia de Materia en Procesos Físicos

Los procesos físicos regidos por transferencia de materia incluyen: destilación, absorción, extracción, adsorción, intercambio iónico y desorción.

Procesos Físicos Regidos por Transferencia de Calor

Los procesos industriales físicos regidos por transferencia de calor incluyen:

• Aislamiento térmico.
• Calentamiento (o enfriamiento) de fluidos: intercambio de calor sin cambio de fase.
• Evaporación, condensación, sublimación (liofilización), solidificación (cristalización): intercambio de calor con cambio de fase. La sublimación y la solidificación se engloban dentro de los procesos industriales regidos por transferencia simultánea de materia y calor.