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LA INGENIERIA QUIMICA COMO AREA DE CONOCIMIENTO
l. DEFINICIÓN Y ESTRUCTURA DE LA INGENIERIA QUIMICA.
1.1. DEFINICIÓN DE INGENIERIA QUIMICA
A lo largo de este siglo diferentes organismos y profesionales relacionados con la
Ingeniería Química han tratado de condensar en una definición su objeto y contenido. A
continuación se destacan las que juzgamos más significativas.
El Dr. Little (1932), director del Comité de Educación del Al.Ch.E. señalaba en un
informe para dicho Instituto:
"La Ingeniería Química es una rama de la ingeniería, cuya base son las operaciones
unitarias que adecuadamente ordenadas y coordinadas constituyen un proceso químico
tal y como opera a escala industrial".
El A.l.Ch.E. (1961) hace hincapié en sus definiciones en los aspectos aplicados de esta
disciplina:
"La misión del ingeniero químico es el desarrollo de los procesos industriales, es decir,
transformar cualquier concepción de laboratorio en un proceso eficaz de fabricación".
Según los profesores franceses Cathala y Letort:
"La Ingeniería Química es el arte de concebir, calcular, proyectar, hacer construir y
hacer funcionar las instalaciones donde llevar a cabo, a escala industrial, una reacción
química cualquiera o una operaciónfisica de separación inmediata [Vian (1968)}".
Como ciencia aplicada, la Ingeniería Química, de acuerdo con Rase y Barrow (1968),
comprende las actividades relacionadas con la producción rentable de cosas útiles por
procesos que implican fenómenos químicos o fisico-quimicos en una o más etapas.
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Por último se resume la definición que de Ingeniería Química da la Institution of Chemical
Engineers de Gran Bretaña (I.Ch.E., 1982):
"La práctica de la Ingeniería química consiste en la concepción, el desarrollo, el diseño, la
innovación y la aplicación de los procesos y sus productos; también concierne a la práctica
de la Ingeniería Química el desarrollo económico, el diseño, la construcción, la operación,
el control y la dirección de plantas químicas para esos procesos, la investigación y la
enseñanza en estos campos.
Como se deduce de las anteriores definiciones, se puede concluir que la Ingeniería
Química tiene por objetivo final la transformación de materias primas en productos útiles
mediante la aplicación de procesos de tipo fisico y químico con ganancia económica.
1.2. ESTRUCTURA DE LA INGENIERIA QUIMICA
El gran número y variedad de los procesos químico-industriales que se realizan en la
actualidad y su creciente relación con otros campos de la actividad humana, tales como
bioquímica, alimentación, conservación del medio ambiente, etc, hacen necesario abordar
el estudio de la Ingeniería Química dividiéndola en sectores a los que se atribuyen
denominaciones y contenidos variables.
En la figura se representa esquemáticamente un proceso químico-industrial en el que
puede observarse como las materias primas se someten a una serie de operaciones de
naturaleza física (molienda, tamizado, rectificación, etc) con el fin de acondicionarlas para
que puedan ser transformadas mediante reacciones químicas (craqueo, isomerización,
polimerización, etc); los productos de reacción obtenidos deben someterse de nuevo a otra
serie de operaciones físicas (filtración, sedimentación, absorción, etc.) a fin de recuperar
los compuestos valiosos que no han reaccionado y obtener los productos finales con la
calidad deseada; por último, los residuos obtenidos deben ser tratados adecuadamente
(absorción, adsorción, reacción química, tratamiento biológico, etc.) para que su vertido no
sea contaminante.
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Figura 1.1. Esquema general de un proceso químico-industrial
Este esquema permite dividir la Ingeniería Química en tres grandes sectores,
esquematizados en la figura 2.
Estudio de la Operaciones de carácter físico previas, simultáneas y posteriores a la
reacción química, denominado OPERACIONES BASICAS O UNITARIAS. Estudio de
la etapa o etapas que implican reacción química, denominado INGENIERIA DE LA
REACCION QUIMICA..
Estudio de los procesos químicos, tanto en lo que se refiere al análisis del
comportamiento conjunto de diversas operaciones individuales, acopladas para
constituir aquellos (INGENIERIA DE PROCESOS), como a la descripción de las
materias primas, transformaciones físico-químicas que tienen lugar y productos finales de
cada uno de ellos (QUIMICA INDUSTRIAL).
Cada uno de estos sectores se divide en otros subsectores que, bien están relacionados
entre sí, o requieren el apoyo de disciplinas básicas (como la Termodinámica Aplicada),
complementarias (como la Economía), o que incluso pueden considerarse como partes
propias de la Ingeniería Química (Fenómenos de Transporte, Control y Dinámica de
Operaciones y Procesos).
SECTORES DE LA INGENIERIA QUIMICA
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Figura 1.2. Sectores de la Ingeniería Química
Veamos con más detalle los distintos sectores de la Ingeniería Químic
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a) OPERACIONES BASICAS O UNITARIAS
Todos los procesos químico-industriales pueden desdoblarse en una serie de etapas u
operaciones individuales (unit operations en la bibliografia anglosajona) que aparecen de
forma reiterativa, que se basan en análogos principios científicos y que tienen técnicas
de cálculo comunes. Así, por ejemplo, en la mayoría de los procesos químico-
industrialeshay que transportar fluidos y sólidos, deben efectuarse separaciones por
tamizado, filtración, centrifugación, sedimentación, etc., hay que calentar o enfriar las
distintas sustancias, deben efectuarse separaciones basadas en la transferencia de
materia, como destilación, extracción, lixiviación, absorción, adsorción, secado, etc.
El estudio sistemático de estas operaciones de carácter fundamentalmente físico, aunque
en algunas ocasiones se presente simultáneamente una reacción química (absorción,
adsorción, etc.), unifica y simplifica el tratamiento de todos Jos procesos.
b) INGENIERIA DE LA REACCION QUIMICA
El objetivo fundamental de este sector dentro de la Ingeniería Química sería el diseño de
un reactor con vistas a la obtención de un producto determinado en una cierta cantidad
por unidad de tiempo a partir de reaccionantes conocidos. Para ello es necesario
determinar el tipo de reactor que ha de utilizarse y el modo de operación, así como
las condiciones básicas del proceso, en lo que se refiere a presión, temperatura y
composición de los reac- cionantes a la entrada del reactor.
El diseño de reactores químicos requiere la información aportada por otros sectores como
la Termodinámica (equilibrio de la reacción química), la Cinética Química (velocidad de
la reacción química), los Fenómenos de Transporte, etc. Toda esta información conduce
a la determinación de las características principales del reactor (geometría, tipo de
flujo, transporte de energía, materia, etc.).-
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e) INGENIERIA DE PROCESOS
Este sector, de importancia creciente, aborda el análisis de los procesos químicos
considerados como un conjunto de elementos u operaciones, de modo que el efecto global
no es la simple suma de los efectos individuales de cada uno de ellos. La simulación y
optimación de procesos, ensamblando los modelos fisico-matemáticos representativos de
cada operación con la disponibilidad de potentes ordenadores, es actualmente una de las
parcelas de mayor interés en la ingeniería de procesos.
d) QUIMICA INDUSTRIAL
El conocimiento de los procesos de elaboración de las materias primas para la obtención
de los diferentes productos de la Industria Química, resulta esencial para el Ingeniero
Químico. Resulta de gran interés el estudio profundo de una o varias industrias
características, con vistas a dar una visión global del proceso así como del acoplamiento
de los diferentes sectores anteriormente mencionados.
e) TERMODINAMICA
La Termodinámica está basada en la aceptación de unos principios fundamentales que
explican la evidencia experimental. A partir de estos principios, y con el correspondiente
desarrollo matemático puede obtenerse tanto el sentido en el que un sistema evoluciona
hacia el equilibrio como las condiciones (presión, temperatura, composición) que
corresponden a ese estado final de equilibrio. Así mismo, la Termodinámica también
permite determinar los cambios energéticos que tienen lugar en la evolución de los
sistemas desde el estado inicial hasta el final.
f) FENOMENOS DE TRANSPORTE
Todos los procesos químicos y las operaciones físicas que los mismos comprenden,
implican el transporte de todas o algunas de las tres propiedades extensivas: cantidad de
movimiento, energía y materia. Los mecanismos de transporte de estas tres propiedades
están estrechamente relacionados entre sí.
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g) CONTROL Y DINAMICA DE SISTEMAS
Los objetivos de este subsector estarían resumidos en cuatro puntos:
i) El conocimiento de la dinámica, es decir, de las respuestas dependientes del tiempo, de
los sistemas ingenieriles.
ii) La concepción de modelos matemáticos realistas que describan los sistemas.
iii) El estudio de técnicas que permitan resolver las ecuaciones que se generan en el
modelo matemático.
iv) La toma de contacto con las técnicas y los equipos de control industriales (sensores,
transmisores, válvulas de control, etc.).
h)ECONOMIA.
Es evidente que la industria química está regida en buena parte por las leyes de la
economía, y que finalmente, son siempre factores económicos los que deciden entre varias
alternativas técnicamente recomendables, así como los valores de las variables de diseño
de las correspondientes operaciones.
i) SECTORES COMPLEMENTARIOS
Se pueden considerar sectores complementarios de la Ingeniería Química los siguientes:
Ciencia de los Materiales, Termotecnia, Electrotecnia, Ingeniería Bioquímica, Tecnología
Medioambiental. Todos ellos son comunes a otras ramas de la Ingeniería.
La Ingeniería Química como área de conocimiento10
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2. ORIGEN Y EVOLUCION HISTÓRICA DE LA INGENIERIA
QUIMICA
No puede hablarse de una fecha concreta que marque el origen de la Ingeniería Química
como disciplina independiente. Según Furter(1980), esto se debe a que en realidad la
Ingeniería Química tuvo dos raíces que se desarrollaron a través de diferentes periodos
de tiempo. Una fue principalmente química y de origen europeo mientras que la otra fue
de origen fisico y norteamericana. La primera, con un marcado carácter químico
industrial, alcanzó su máximo desarrollo hacia la mitad del siglo XIX en el que
químicos e ingenieros mecánicos trabajaron en equipo para producir materias químicas
en gran escala. El origen norteamericano se caracterizó por el tratamiento de operaciones
unitarias que tuvieron su máximo auge durante la primera parte del siglo XX y en las
que el M.I.T. (Massachussets lnstitute of Technology)tuvo un papel fundamental.
Van Antwerpen y Fourdrinier(1958) han indicado que la expresión ingeniero químico
apareció por vez primera en 1839 en un diccionario (Dictionary of Arts, Manufacturers
and Mines). Así pues la idea de un ingeniero asociado con los procesos químicos existía
ya desde mediados del siglo pasado, en concreto, según Van Antwerpen (1980), sólo
veinte años después de la formación en Inglaterra de la primera sociedad de ingenieros, el
Instituto de Ingenieros Civiles (Obras Públicas), fundado en 1818.
En su artículo sobre la evolución de las Operaciones Unitarias, Lewis (1959) puntualiza
que la Industria Química moderna comenzó con el proceso Le Blanc en Francia durante
la Revolución y que la expansión de la Industria Química durante el siglo pasado fue
extraordinaria. Muchos de sus hallazgos fueron alcanzados por hombres que se definían
como químicos más que como ingenieros (Lewis (1972)). En 1881, George E. Davis
realizó un intento serio en Inglaterrapara fundar una Sociedad de Ingenieros Químicos.
El propio Lewis dijo que Hausbrand, un alemán que publicó un libro sobre
rectificación y destilación en 1893, es sin duda alguna el precursor del moderno
tratamiento químico ingenieril de las operaciones unitarias.
La Ingeniería Química como área de conocimiento11
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La Ingeniería Química, como disciplina no fue creada en Europa, aunque el concepto fuese
definido en ella. Así, Davis, en Inglaterra no sólo intentó crear una sociedad sino que
realizó los primeros análisis que se hayan registrado sobre Ingeniería Química. A él se
deben las primeras clases sobre Ingeniería Química en 1887 en la Escuela Tecnológica de
Manchester (Manchester Technical School) y posteriormente su libro Handbook of
Chemical Engineering publicado entre 1901 y 1902. El libro tuvo tanto éxito que fue
necesario publicar una segunda edición con más de mil páginas (Davis, 1904). En sus
clases y luego en su libro, Davis puntualizó que los diferentes procesos químicos eran
combinaciones y secuencias de un conjunto de operaciones de menor escala tales como
destilación, evaporación, secado, filtración, absorción y extracción (Swindin, 1953).
Como puede deducirse de estas líneas el concepto químico ingenieril nació en Europa, sin
embargo la creación de la disciplina no llegó a cristalizar.
El primer curso sobre Ingeniería Química se ofreció en el M.I.T. y se debió a Lewis Mili
Norton, un profesor de Química Industrial que fundó en 1888, un año después de las clases
de Davis en Manchester, el famoso Curso X-Ingeniería Química. Este curso tuvo en su
primer año once estudiantes (Van Antwerpen, 1980). A partir de 1891, otras
universidades norteamericanas empezaron a ofrecer programas sobre Ingeniería Química.
Así, el segundo programa fue ofrecido por la Universidad de Michigan en 1898 siendo los
primeros Departamentos de Ingeniería Química los de las Universidades de Pensilvania en
1892, Tulane en 1894 y Wisconsin en 1898. Años más tarde, en 1908, se fundó el Instituto
Americano de Ingenieros Químicos (American Institute of Chemical Engineers, A.I.Ch.E.)
que establecería las directrices que habrían de configurar la profesión de ingeniero
químico.
Fue en el M.I.T. donde A.D. Little, en 1915 introdujo el concepto de Operación Básica o
Unitaria, culminando con la aparición de las obras "Principies of Chemical Engineering"
de Walter, Lewis y McAdams (1923) y "Elements of Chemical Engineering" de Badger y
McCabe (1927), textos pioneros de la Ingeniería Química.
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3. SITUACION ACTUAL Y EVOLUCION FUTURA DE :LA
INGENIERIA QUIMICA
Diversos factores han originado cambios que afectan no sólo al aspecto profesional de
los ingenieros químicos sino también al currículum académico en su formación:
- Utilización de las matemáticas en la Ingeniería Química, lo que ha permitido establecer
modelos de complejidad y fundamento fisico-matemáticos crecientes, debido al
conocimiento más minucioso de los mecanismos de las distintas operaciones, al
desarrollo de nuevas teorías y a la disponibilidad de técnicas de cálculo cada vez más
poderosas.
- Uso generalizado de ordenadores, disponiéndose de programas específicos para
Ingeniería Química, bases de datos de propiedades fisico-químicas o de información
científica de enorme utilidad.
- Aparición de industrias no convencionales relacionadas con la Ingeniería Química,
prestándose gran atención a productos de alto valor añadido, como los que se incluyen
en la química fina, farmacéutica o biotecnológica.
- Preocupación creciente de la sociedad por la protección del medio ambiente,
planteándose como modelo a alcanzar por las industrias el de contaminación residual
nula, con recirculación y eliminación interna de los desechos nocivos,
cuestionándose la fabricación de aquellos productos útiles que sean nocivos.
- Diversificación de las fuentes de energía, reduciéndose la dependencia del petróleo, e
inclinándose por procesos de generación de energía no convencionales. Así, el petróleo se
ha sustituido, en la última década, por el carbón (centrales térmicas, hornos de cemento,
etc) y se han desarrollado procesos de obtención de combustibles a partir de materias
primas renovables (etanol, biogas, etc) y se ha intentado beneficiar otras fuentes de
energía como la solar, la eólica o la geotérmica.
La Ingeniería Química como área de conocimiento 13
Del análisis de estos hechos se deduce que la Ingeniería Química no es un conjunto rígido
de materias que permanecen invariables a lo largo del tiempo, pues su contenido se ha ido
perfilando durante decenios, acomodándose a las distintas exigencias cambiantes con el
propio desarrollo industrial. En cada momento, la Ingeniería Química como ciencia ha ido
sirviéndose de las ciencias básicas, utilizándolas en la práctica para sacar provecho de las
propiedades de la materia y de las fuentes de energía.
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