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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
“LA IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA VERDE Y SU APLICACIÓN EN LA SIMULACIÓN DEL PROCESO
PARA LA PRODUCCIÓN DE ANHIDRIDO MALEICO.”
T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL
PRESENTA:
DULCE ARELI VELÁZQUEZ CANSECO
ASESOR: M. en C. ANGELICA NUÑEZ MERCHAND.
M. en C. CARLOS CONSTANTINO ORTIZ.
CDMX 2016
RECONOCIMIENTO.
AL INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.
Por ser una de las instituciones con mayor importancia a nivel nacional y darme una formación académica de excelencia para que en un futuro sea un profesionista capaz de darle una mejor calidad de vida a nuestro país, soy politécnico por convicción y no por circunstancia.
A LA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS.
Porque en ella aprendí los fundamentos para ser parte de los reconocidos ingenieros politécnicos, porque me dio experiencias que me ayudaran para ser un mejor profesionista, porque mi pasión es la química y a partir de ella mi deber es poner en alto el nombre de mi institución “ESIQIE”.
AGRADECIMIENTOS
A MIS PADRES.
Porque con su cariño y apoyo me han enseñado a luchar por mis sueños y a nunca darme por vencida, gracias por nuca soltar mi mano cuando parecía estar a punto de rendirme, gracias por todos los esfuerzos hechos para que yo pudiera terminar mi carrera profesional, gracias por darme su amor y su vida incondicionalmente, gracias por darme el honor de ser su hija.
A MIS ASESORES.
Porque gracias a su paciencia y dedicación eh podido dar un gran paso hacia mi vida profesional. Gracias por compartir conmigo su experiencia y sus conocimientos, sin su ayuda no habría sido posible la realización de esta tesis, gracias por sus consejos que siempre me ayudaron a seguir adelante en los momentos más difíciles, gracias por su apoyo y amistad incondicional.
iv
CONTENIDO
RELACIÓN DE FIGURAS, GRAFICOS Y TABLAS ........................................................ vi
OBJETIVOS ..................................................................................................................... 8
RESUMEN ....................................................................................................................... 9
INTRODUCCIÓN. .......................................................................................................... 11
CAPÍTULO I. QUÍMICA E INGENIERÍA VERDE. ................................................................................. 14
I.1 Historia de la química verde. .................................................................................. 17 I.2 Que es la química verde? ...................................................................................... 20
I.3 Concepto de ciclo de vida de los productos y los doce principios de la química verde. .......................................................................................................................... 21
I.3.1 Los doce principios de la química verde. ......................................................... 21 I.4 Relación de la química verde con otras disciplinas. ............................................... 22 1.5 Contexto Industrial de la química verde. ............................................................... 23 I.6 Ejemplos del empleo de la química verde. ............................................................. 27 I.7 Química Verde en México. ..................................................................................... 32 I.8 Perspectivas de la química verde. ......................................................................... 35
CAPÍTULO II. ANHIDRIDO MALEICO .................................................................................................. 36
II.1 Historia sobre la producción de Anhídrido Maleico. .............................................. 36 II.2 Principales Características y Usos. ....................................................................... 38 II.3 Aspectos económicos del Anhídrido Maleico. ....................................................... 43 II.4 Principales Procesos de Producción Para la Obtención de Anhídrido Maleico. .... 46
II.4.1 Rutas de reacción para la obtención de AM. .................................................. 47 II.4.2 Tecnologías Comerciales para la Producción de Anhídrido Maleico. ............. 51
v
II.4.3 Sistema Catalítico ........................................................................................... 56
CAPÍTULO III. CONDICIONES DE OPERACIÓN Y SIMULACIÓN DEL PROCESO INDUSTRIAL DE ANHIDRIDO MALEICO. ................................................................................................. 58
III.1 Condiciones de Operación de acuerdo a la ruta de producción vía Benceno. ..... 58 III.2 Condiciones de Operación de acuerdo a la ruta de producción vía n-Butano. .... 60 III.3 Recomendaciones para la operación del proceso. .............................................. 63 III.4 Método de separación y purificación del Anhídrido Maleico. ............................... 65 III.5 Simulación en PRO II del proceso de obtención de Anhídrido Maleico ............... 66
III 5.1 Simulación del proceso vía Benceno. ............................................................ 66 III 5.2 Simulación del proceso vía n-Butano. ............................................................ 72
CAPÍTULO IV. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS DOCE PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE, RESPECTO AL PROCESO DE ANHIDRIDO MALEICO. .............................................. 79
CONCLUSIÓN ............................................................................................................... 85
ANEXO 1. GLOSARIO ................................................................................................... 88
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 95
vi
RELACION DE FIGURAS, GRAFICOS Y TABLAS
Figura o Grafico
Pág.
Fig. 1.1 Objetivos de la química. Fig.1.2 Interrelación de la química verde con otras disciplinas. Fig. 1.3 Flujo de materiales desde la litosfera hasta la ecosfera. Fig. 1.4 Constituyentes de un proceso. Fig. 2.1 Aplicaciones del Anhídrido Maleico. Figura 2. 2 Configuración básica de una planta de Anhídrido Maleico. Figura 2. 3 Reacción principal de la oxidación selectiva de benceno para producir Anhídrido Maleico Figura 2. 4 Proceso para la producción de AM a partir de benceno Figura 2. 5 Reacción principal de la oxidación selectiva de n-butano para producir Anhídrido Maleico Figura 2. 6 Diagrama de Flujo de la compañía Denka‐Scientific Design, muestra un proceso en lecho fijo. Figura 2. 7 Diagrama de flujo del proceso ALMA, utilizando la tecnología de lecho Figura 2. 8 Diagrama de flujo del proceso de Dupont para la producción de THF. Figura 2. 9 La comparación del consumo de energía entre las alternativas de reactor para la oxidación de n-butano a AM. HEN = optima red de color. Figura 3. 1 Diagrama de flujo del proceso de obtención de AM, a partir de la oxidación de n-butano, basado en el diseño de un tren de reactores Figura 3. 2 Propuesta de Simulación del Proceso de obtención de Anhídrido Maleico, a partir de benceno. Figura 3. 3 Propuesta de Simulación del Proceso de obtención de Anhídrido Maleico, a partir de n-butano. Grafico 2.1 Porcentaje de los usos de Anhídrido Maleico.
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Grafico 2.2 El consumo mundial de Anhídrido Maleico para el año 2012. Grafico 2.3 Comparación de la oferta y demanda de Anhídrido Maleico para el mercado global. Tabla 1. 1 Producción de la Industria Química en México. Tabla 1.2 Centros de Investigación con trabajos relacionados a la química verde en México. Tabla 2. 1 Propiedades Físicas y Químicas del Anhídrido Maleico Tabla 2. 2 Las 10 mejores compañías productoras de Anhídrido Maleico en el año 2015. Tabla 2. 3 Tecnologías Industriales para la producción de AM, a partir de n-butano. Tabla 3. 1 Condiciones de Operación para el proceso de AM, a partir de la oxidación del benceno Tabla 3. 2 Condiciones de Operación para el proceso de AM, a partir de la oxidación del benceno Tabla 3. 3 Datos de simulación del Reactor de Conversión usado en el proceso vía benceno. Tabla 3. 4 Datos de simulación del Reactor de Conversión usado en el proceso vía Benceno Tabla 3. 5 Condiciones de operación del reactor de Benceno Tabla 3. 6 Condiciones de operación del tren de separación vía Benceno Tabla 3. 7 Datos de simulación del Reactor de Conversión usado en el proceso vía n-butano. Tabla 3. 8 Datos de operación por corriente del proceso de obtención de AM a partir de n-Butano. Tabla 3. 9 Condiciones de operación del reactor de n-Butano
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Tabla 3. 10 Condiciones de operación del tren de separación vía n-Butano 77
Tabla 3. 11 Tabla comparativa de resultados generales para ambas rutas de reacción
Benceno vs n- Butano. 78
Anhídrido Maleico.
8
OBJETIVOS
• Explicar el concepto de química “verde” o sustentable, mediante la realización de
una investigación documental que permita conocer sobre el tema.
• Recopilar la información necesaria para conocer la química, usos y economía del
caso de estudio a desarrollar mediante las bases de la química verde.
• Analizar las rutas de reacción entre la vía benceno y n-butano para la obtención
de Anhídrido Maleico y con ello llevar a cabo la simulación en el programa Pro II
para ambas propuestas.
• Exponer los resultados de la simulación que determinen que mediante el uso de
n-butano como materia prima y sus condiciones de operación pueden constituir a
la creación de un proceso más amigable con el medio ambiente.
Química Verde
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RESUMEN
En la actualidad, existe un enorme deterioro del medio ambiente que ha generado la
necesidad de buscar alternativas que conduzcan a la sustentabilidad ambiental. Una de
estas herramientas es la “química verde” la cual se define como el desarrollo y aplicación
de productos químicos y procesos para reducir o eliminar el uso y producción de
sustancias peligrosas para la salud humana y el medio ambiente. El caso de estudio
elegido fue el proceso de producción del Anhídrido Maleico, un compuesto intermedio
utilizado en otras reacciones para productos de consumo final, se realizó la simulación
en PRO II bajo condiciones de operación adecuadas para las dos rutas de reacción más
importantes para este proceso, (vía benceno y vía n-butano). De acuerdo al análisis de
los 12 principios de la química verde se confirma que la producción de Anhídrido Maleico
es más sustentable mediante n-Butano debido a que se obtiene el 80% menos de dióxido
de carbono liberado a la atmósfera, 14% menos de agua producida y 60% menos
cantidad de calor necesario para llevar a cabo la reacción y separación del Anhídrido
Maleico. Como materia prima, el n-butano es menos tóxico y contaminante, además de
que el costo se reduce un 60% por cada kilogramo utilizado.
Palabras claves: Química verde, Sustentabilidad, Anhídrido Maleico, Sustancias peligrosas, Simulación.
Anhídrido Maleico.
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ABSTRACT
Nowadays, there is an enormous environment degradation that has generated the need
to seek alternatives that lead to environment sustainability. One of these tools is green
chemistry which consist of development new alternatives, application and processes of
chemical products to reduce or remove hazardous substances that affect human health
and environment. Production process of Maleic Anhydride (MA) was studied to
exemplified green chemistry concept, MA is an intermediate compound used in other
reactions for final consumer chemical products. MA process was simulated in PRO II,
under operating conditions suitable for the two most important reaction routes for this
process (benzene and n-butane reaction pathways). According to analysis of the twelve
principles of green chemistry it is confirmed that the production of MA is more sustainable
than n-butane, because it obtained 80% less of carbon dioxide that is released into the
atmosphere, 14% less of water is produced and 60% less of heat load is needed to
achieved reaction and separation of MA. As raw material, n-butane is less toxic and
polluting, additionally this process has 60% of cost reduction per kilogram n-butane used.
Keywords: Green Chemistry, Sustainability, Maleic Anhydride, Hazardous substances, Simulation
Química Verde
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INTRODUCCIÓN.
Desde la prehistoria, el hombre ha estado acompañado por procesos químicos. Muchos
de los descubrimientos que le han posibilitado su desarrollo tecnológico y la mejora de
su calidad de vida están relacionados a dichos cambios: el fuego, la cocción de los
alimentos, la fermentación que permitió la obtención de bebidas, quesos y pan, la
obtención de metales y sus aleaciones, son todos procesos químicos que el hombre
aprendió a utilizar para su provecho.
En épocas más recientes, el aumento de la expectativa de vida se debe en gran parte a
adelantos procedentes de la química. Dos de los factores que más han incidido en este
aspecto son la potabilización del agua mediante la cloración y la utilización de antibióticos.
Estos recursos han posibilitado el combate efectivo de diversas enfermedades
infecciosas que antes constituían epidemias y eran incurables.
Estos dos avances científicos son debidos a la química asociada a otras disciplinas y,
junto con muchos otros, han permitido el aumento de la expectativa de vida, con el
consecuente aumento de la población mundial, así como la mejora de la calidad de vida,
mediante innumerables adelantos vinculados, muchos de ellos, a la química de los
materiales.
Otro tanto puede decirse de la importancia que ha tenido la química en el desarrollo de
la medicina y en la producción de fertilizantes y agroquímicos. Se puede hablar también
en esta misma línea del desarrollo que ha tenido la industria de los derivados del petróleo,
con su importancia como principal fuente de energía, que ha posibilitado el transporte de
personas y mercancía a los niveles que hoy tenemos, así como el funcionamiento de las
industrias, sin dejar de lado el avance en el desarrollo de materiales poliméricos, con un
sin fin de aplicaciones.
Este desarrollo ha ido acompañado de un enorme crecimiento de la industria química a
nivel mundial.
Anhídrido Maleico.
12
Paralelamente a este crecimiento, y como consecuencia del mismo, se va registrando un
aumento de la generación de residuos que son perjudiciales, de diferentes maneras, para
los seres vivos presentes en el planeta.
Muchos de estos efectos no fueron percibidos en el momento en que empezaron a
generarse los productos.
En base a todo esto la imagen de la química como ciencia empezó a deteriorarse, al
punto de llegar a que hoy, para muchas personas, decir “productos químicos” es una
expresión que hace pensar en algo negativo, perjudicial para el ambiente o la salud, no
relacionando con que todo lo material está formado por compuestos químicos y olvidando
que la mayoría de las mejoras en salud y calidad de vida se deben también a los
“productos químicos”.
Sin embargo, hasta la primera mitad del siglo XX, los investigadores del área química
comenzaron a trabajar con el objetivo de solucionar los problemas inmediatos que eran
identificados. Si las soluciones provocaban otros problemas, éstos se trataban de
solucionar luego de que surgían. Pero a partir del reconocimiento de los efectos
perjudiciales para el ambiente que tiene la actividad humana, comenzó a surgir una
conciencia de que se debía hacer algo al respecto. La primera manifestación importante
de esta conciencia, a nivel mundial, fue la Declaración de Estocolmo realizada por la
Convención de las Naciones Unidas en 1972.
A partir de la declaración de Estocolmo se generaron una serie tratados que pretenden
tomar acciones para preservar el medio ambiente a nivel mundial.
Lamentablemente, los protocolos internacionales, que exigen el desarrollo de nuevos
procesos químicos sustentables y la implementación de una química más amigable en
los procesos industriales ya existentes, se mantienen con un efecto bajo debido a la
poca difusión de la química verde en nuestro país, por lo que el siguiente trabajo de
tesis tiene el objetivo de crear conciencia hacia los estudiantes, ingenieros e
investigadores relacionados a los procesos químicos industriales.
Este acercamiento comienza en el Capítulo I, el cual abarca temas con a la historia de
cómo se llegó a la necesidad de crear el concepto de química verde o química
Química Verde
13
sustentable, así como los principios a seguir para el buen diseño de ingeniaría de
procesos, se presenta la visión y aplicación de la química verde en México y el resto del
mundo, así como algunos ejemplos de aplicación que se están llevando en distintas
empresas a nivel mundial, hasta finalizar con la perspectiva que pretende generar a futuro
esta ciencia.
En el Capítulo II, se comienza con datos relacionados al caso de estudio que en este
caso es el proceso de Anhídrido Maleico, se abarcaran temas como: Las propiedades
físicas y químicas, usos principales, métodos de obtención, aspectos económicos,
tecnologías comerciales y sistema catalítico para su producción, dentro del capítulo se
define por qué se escoge este proceso para la aplicación de la química verde.
Para el Capítulo III, se desarrollan las condiciones de operación necesarias en ambas
rutas de reacción seleccionadas para la realización de las propuestas en el simulador
PRO II.
Finalmente, el Capítulo IV se realiza el análisis de los doce principios de la química verde
a partir de la investigación documental y las propuestas de simulación.
Hoy en día la química está en un concepto en el que representa un doble papel. Por un
lado, es responsable de algunas de las causas que han generado estas circunstancias
ambientales y por otro tiene un papel preponderante para atenuar y revertir este
escenario.
Considerando este doble papel surge la Química Verde o Química Sustentable, como
búsqueda de alternativas que prevengan la contaminación, sin dejar de producir los
materiales necesarios para mantener la calidad de vida de los seres humanos.
Anhídrido Maleico.
14
CAPÍTULO I.
QUÍMICA E INGENIERÍA VERDE.
La química ha tenido un crecimiento enorme desde finales del siglo XIX hasta la
actualidad. Este desarrollo ha sido basado principalmente en la explotación y producción
del petróleo y sus derivados, así como en la producción de productos químicos finos y
farmacéuticos. (Castro N & Verbei, 2004)
En los últimos años del siglo XX se han desarrollado numerosas industrias que tienen
como base algún proceso químico, entre estas, se puede mencionar la producción de
nuevos polímeros, materiales semiconductores, productos farmacéuticos y
agroquímicos, entre muchos otros. (Dàvila, Pizarro, & Camacho, 2008)
Cabe destacar el reciente crecimiento de nuevas tecnologías para el desarrollo de
procesos industriales.
Uno de los mayores inconvenientes de la química como ciencia y, de la industria química
es el problema de la generación de residuos y productos que afectan al medio ambiente.
La generación de residuos ha ocasionado una imagen negativa de la química ante la
sociedad, asociándola con el deterioro del medio ambiente. (Marín, Sosa Granados,
Rodríguez Herrera, & Robles Martínez, 2009)
Es importante mencionar que la industria química no es la única causante de la emisión
de contaminantes, otros factores como la producción de energía (eléctrica, nuclear), el
transporte, también generan gran cantidad de emisiones contaminantes a la atmósfera y
efluentes hacia ríos y mares. (Anastas & Kirchoff, 2002)
Además, existen sectores no asociados con la producción de productos químicos pero
que requieren del uso de estos en sus procesos productivos, como lo es el uso de
agroquímicos y fertilizantes para el sector agrícola o la industria minera. (Anastas &
Kirchoff, 2002)
Química Verde
15
En los inicios de la industria química se tenía la percepción de que los recursos naturales
eran infinitos y que el uso y explotación indiscriminada no tendría ningún efecto sobre el
medio ambiente (Centi & Perathoner, 2003).
Esta percepción comenzó a cambiar a mediados del siglo XX cuando, al final de la
Segunda Guerra Mundial, hubo un crecimiento explosivo en la demanda y producción de
productos químicos, lo que ocasionó la aparición de una conciencia ecológica derivada
de los efectos de la emisión de contaminantes a la atmósfera y los efluentes (Vargas
Afanador & P, 2007.).
En los años recientes esta conciencia ha sido reforzada por el cambio climático derivado
del calentamiento global, producto de la emisión de gases con efecto invernadero (John
C, Amy S, & Kevin M, 2004).
La aparición de estos efectos sobre el ambiente incitó al desarrollo de legislaciones que
tenían como finalidad abatir la emisión de contaminantes. En general, el objetivo de estas
leyes era implantar límites a las emisiones de gases y líquidos, generalmente a través de
la implementación de sistemas que atraparan los contaminantes (John C, Amy S, & Kevin
M, 2004).
Este enfoque comenzó a cambiar por otros más eficientes, como el desarrollo de
procesos de producción que disminuyeran o eliminaran la generación de emisiones
contaminantes, así como la producción de compuestos con mejores propiedades y que
pudieran ser reprocesados o bio-degradados a sustancias inocuas. (Anastas & Kirchoff,
2002).
Existen en nuestro planeta alrededor de 12 millones de sustancias químicas, de las
cuales unas cien mil son utilizadas en producción de diversos materiales usados en la
vida diaria. De estas, alrededor de tres mil son producidas en gran escala (miles a
millones de toneladas por año), y en su gran mayoría no se conocen sus efectos sobre
la salud humana o sobre el medio ambiente (Marín, Sosa Granados, Rodríguez Herrera,
& Robles Martínez, 2009).
Por otro lado, se han caracterizado alrededor de 600 sustancias cuyo uso ha sido
restringido o totalmente prohibido. Esto ha estimulado a los químicos a estudiar la
Anhídrido Maleico.
16
obtención de compuestos que posean las propiedades deseadas en función de su utilidad
pero que carezcan de las propiedades dañinas que pudiesen afectar, así como al
desarrollo de procesos de producción que eliminen o minimicen la generación de
emisiones contaminantes (Green Chemistry Instutute ACS, s.f.).
La reducción en la emisión de contaminantes puede ser combatida de diversas maneras,
como lo son: el empleo de síntesis que reduzcan la generación de subproductos y la
maximización del aprovechamiento de las materias primas. Por otra parte, el empleo de
catalizadores puede ayudar a reducir la generación de subproductos de desecho, pero
además puede ayudar a reducir el consumo de energía de los procesos de producción,
siempre y cuando estos se elijan y diseñen correctamente para el proceso en el que serán
utilizados. (James H & Elings, 2000)
De estos diseños alternativos de procesos se desprende lo que hoy se conoce como
“desarrollo sustentable”.
En los Estados Unidos, el Acta de Prevención de la Contaminación de 1990 estableció la
reducción de las fuentes de contaminación como prioridad para solucionar los problemas
ambientales. (Anastas, Kirchhoff, & Williamson, 2001). La aprobación de esta acta
significó un alejamiento de los antiguos conceptos de control de la contaminación, como
el control de las emisiones hacia la prevención de la generación de emisiones, esto es,
aplicar el concepto de que es mejor prevenir que remediar.
Para lograr esto se requiere de la coordinación de las diversas disciplinas involucradas
en la generación de productos químicos. Esto dio origen a la aparición de lo que hoy
conocemos como “química verde” o “química sustentable”, de dicho concepto también
podríamos establecer la derivación de la “ingeniería verde” (Agency Enviromental
Protection, s.f.).
Química Verde
17
I.1 Historia de la química verde.
A partir de los años sesenta, comenzaron los cuestionamientos sobre los procesos
químicos que generaban residuos peligrosos y tóxicos.
La científica Rachel Carson corriente principal para el desarrollo de los principios de la
química verde, escribió el libro “Primavera Silenciosa” en 1962, en el que describe la
devastación que ciertos productos químicos tenían sobre los ecosistemas locales. El libro
sirvió como una llamada de atención para el público y los científicos por igual, e inspiró
el movimiento ambiental moderno (Green Chemistry Instutute ACS, s.f.).
En 1969, el Congreso reconoció la importancia de la cuestión y aprobó la Ley Nacional
de Política Ambiental (NEPA). El objetivo de la ley era "crear y mantener condiciones en
las que existiera hombre y la naturaleza en armonía productiva", y llamó a un Consejo
Presidencial para la Calidad Ambiental (Agency Enviromental Protection, s.f.), (American
Chemical Society, s.f.).
En 1970, el presidente de los Estados Unidos de América, Richard Nixon creó la Agencia
de Protección Ambiental (EPA), una agencia reguladora federal dedicada exclusivamente
a la protección de la salud humana y el medio ambiente (Agency Enviromental Protection,
s.f.). Primera decisión importante de la EPA era prohibir el uso del DDT (Dicloro Difenil
Tricloroetano) y otros pesticidas químicos.
El Congreso aprobó una serie de leyes regulatorias para frenar el impacto ambiental de
la contaminación, como la Ley de Agua Potable Segura en 1974 (American Chemical
Society, s.f.).
Hasta la década de 1980, la industria química y la EPA se centraron principalmente en la
limpieza de las sustancias toxicas más comunes para esa época. Los científicos, que
vivieron las décadas de creciente conciencia ambiental, comenzaron a investigar vías de
prevención de la contaminación (Agency Enviromental Protection, s.f.), (American
Chemical Society, s.f.).
Los líderes en la industria y en el gobierno comenzaron conversaciones internacionales
que abordaban los problemas y trataban de buscar soluciones preventivas.
Anhídrido Maleico.
18
La Organización para la Cooperación Económica y el Desarrollo (OCDE), organismo
internacional de más de 30 países industrializados, llevaron a cabo reuniones a través de
la década de los 80’s que abordan las preocupaciones ambientales. Ellos hicieron una
serie de recomendaciones internacionales que se centraron en un cambio de cooperación
en los procesos químicos existentes y prevención de la contaminación (Green Chemistry
Instutute ACS, s.f.).
La Oficina de Prevención de la Contaminación y Tóxicos se estableció dentro de la EPA
en 1988 para facilitar estos objetivos ambientales.
La década de los 90’s marcó la aceptación acelerada de prevención de la contaminación
y el establecimiento de la química verde como un campo científico legítimo (Agency
Enviromental Protection, s.f.).
La Ley de Prevención de la Contaminación de 1990 marcó un cambio en la política
regulatoria de control y prevención de la contaminación, así como una estrategia más
eficaz para estos asuntos ambientales. (Agency Enviromental Protection, s.f.)
A principios de 1990, el Consejo de Química de la Comunidad Europea publicó trabajos
sobre el tema, incluyendo el influyente trabajo, "Química para un mundo limpio." El primer
simposio basado en estas ideas, “Diseño sintético alternativo para la prevención de la
contaminación", se llevó a cabo en 1994 en Chicago y patrocinado por la División de
Química Ambiental de la Sociedad Americana de Química. (American Chemical Society,
s.f.).
El personal de prevención de la contaminación y toxinas de la Oficina de la EPA, acuñó
la frase "Química Verde" y sembró las semillas de la colaboración productiva entre el
gobierno, la industria y el mundo académico (Agency Enviromental Protection, s.f.).
En 1995, EPA recibió el apoyo del presidente Bill Clinton para establecer un programa
anual de premios, destacando las innovaciones científicas en el mundo académico y la
industria. Esto creó los premios anuales de química verde (Agency Enviromental
Protection, s.f.).
En 1997 la Universidad de Massachusetts en Boston estableció el primer doctorado en
Química Verde.
Química Verde
19
En ese mismo año, en cooperación con la EPA, el Dr. Joe Breen, y el químico, Dennis
Hjeresen, cofundaron el Instituto de Química Verde (GCI) como una organización no
lucrativa independiente con María Kirchoff como Subdirector y un personal dedicado a
trabajar exclusivamente para avanzar en todo lo relacionado con la química verde (Center
for Green Chemistry and Green Engineering, s.f.).
En 1997 GCI estableció la Conferencia de Química e Ingeniería Verde, la cual hasta
nuestros días tiene una convocatoria anual.
Para 1998 Paul Anastas y John C. Warner pioneros del libro, “Química Verde: Teoría y
Práctica” englobaron en 12 principios las características importantes para el diseño y
desarrollo de procesos industriales sustentables. Estos principios se convirtieron en eje
central para la aplicación de la química verde a nivel industrial (Green Chemistry Instutute
ACS, s.f.).
El Premio Nobel de Química fue ganado por las áreas en investigación de la química
verde, tanto en 2001 (Knowles, Noyori, Sharpless) y 2005 (Chauvin, Grubbs, Schrock).
Estos premios Nobel ayudaron a solidificar la importancia de la investigación en este
sector de la química y ayudó a crear una mayor conciencia entre los científicos de que el
futuro de la química debería ser más amigable para los seres vivos. (Agency Enviromental
Protection, s.f.)
Después de todos los avances de investigación en química verde y la ingeniería,
principales empresas químicas aún no han aceptado del todo plenamente la tecnología,
sin embargo, se siguen haciendo labores para lograr enfocar en un solo objetivo a la
industria química. Hoy en día, más del 98% de todos los productos químicos son
derivados del petróleo, recurso que probablemente no sea infinito (Center for Green
Chemistry and Green Engineering, s.f.).
Los grupos de químicos e ingenieros preocupados en el tema continúan investigando
para la creación de productos industriales que busquen minimizar el impacto de residuos
que son altamente dañinos para el medio ambiente y sus seres vivos.
Anhídrido Maleico.
20
I.2 Que es la química verde?
El concepto de química verde está íntimamente asociado con la prevención de la
contaminación ambiental mediante el diseño de procesos y productos químicos que no
posean propiedades dañinas al medio ambiente. (Anastas & Kirchoff, 2002)
La misión de la química verde según The Green Chemistry Institute está definida como:
“promover el desarrollo y uso de tecnologías químicas innovadoras que reduzcan o
eliminen el uso o generación de sustancias dañinas en el diseño, manufactura y uso de
productos químicos” (Green Chemistry Instutute ACS, s.f.).
Los objetivos de la química verde han sido definidos de manera más específica como: lo
es “el establecimiento de los principios para la síntesis y aplicación de productos y
procesos químicos que reduzcan o eliminen completamente el uso y producción de
materiales que sean dañinos al medio ambiente” (Anastas, 2002).
Basados en estas premisas, Anastas y colaboradores establecieron una serie de
principios que sirvieran como guía de lo que hoy la industria llama química verde.
En la figura 1.1 se describe los puntos más importantes que engloban el concepto de la
química verde.
Reducir
Desechos
Materiales
Riesgos
Daños
Energía
Costos
Figura 1. 1 Objetivos de la química verde. Fuente: Dávila, C. O., Pizarro, M., & Camacho, A. A. (2008). Química Verde, La Química del nuevo milenio. Facultad de Ciencias Químicas/Universidad Autónoma de Chihuahua.
Química Verde
21
I.3 Concepto de ciclo de vida de los productos y los doce principios de la química verde.
El concepto de ciclo de vida se introdujo para evaluar los atributos ambientales de los
productos químicos, y considera cinco etapas básicas: pre manufactura, manufactura,
envío del producto, uso y fin de su vida útil. (Castro N & Verbei, 2004)
El resultado real de esto es contar con productos ambientalmente superiores, pero sin
que se violen las normas de producto (Graedel 1999). El reto para los profesionales de
la química sería entonces el desarrollo de nuevos productos, procesos y servicios que
cumplan con los requerimientos sociales, económicos y ambientales. Para esto se
requiere reducir el consumo de materiales y energía en los procesos, minimizar la emisión
al ambiente de sustancias químicas peligrosas, maximizar el uso de recursos renovables
y extender la durabilidad y el reciclaje de los productos (Clark 1999).
I.3.1 Los doce principios de la química verde.
Estos principios desarrollados por Warner y Anastas nos permiten analizar procesos y
establecer qué tan “verde” puede ser una reacción química, un proceso industrial o un
producto. (Anastas & Williamson, Green Chemistry: An Overview., 1996)
A continuación, se presentan los doce principios de la química verde, en capítulos
posteriores se enfatizará el análisis de cada principio aplicados al proceso de producción
para la obtención de Anhídrido Maleico.
Lo principios se refieren a lo siguiente:
1. Es preferible evitar la producción de un residuo que tratar de limpiarlo una vez que
se haya formado.
2. Los métodos de síntesis deberán diseñarse de manera que incorporen al máximo,
en el producto final, todos los materiales usados durante el proceso.
3. Siempre que sea posible, los métodos de síntesis deberán diseñarse para utilizar
y generar sustancias que tengan poca o ninguna toxicidad, tanto para el hombre
como para el medio ambiente.
Anhídrido Maleico.
22
4. Los productos químicos deberán ser diseñados de manera que mantengan su
eficacia a la vez que reduzcan su toxicidad.
5. Se evitará, en lo posible, el uso de sustancias auxiliares (disolventes, reactivos de
separación, etcétera), y en el caso de que se utilicen se procurará que sean lo más
inocuas posible.
6. Los requerimientos energéticos serán catalogados por su impacto medioambiental
y económico, reduciéndose todo lo posible. Se intentará llevar a cabo los métodos
de síntesis a temperatura y presión ambiente.
7. La materia prima ha de ser preferiblemente renovable en vez de agotable, siempre
que sea técnica y económicamente viable.
8. Se evitará en lo posible la formación de derivados (grupos de bloqueo, de
protección/desprotección, modificación temporal de procesos físicos/químicos).
9. Se emplearán catalizadores (lo más selectivos posible) en vez de reactivos
estequiométricos.
10. Los productos químicos se diseñarán de tal manera que al finalizar su función no
persistan en el medio ambiente, sino que se transformen en productos de
degradación inocuos.
11. Las metodologías analíticas serán desarrolladas posteriormente para permitir una
monitorización y control en tiempo real del proceso, previo a la formación de
sustancias peligrosas.
12. Se elegirán las sustancias empleadas en los procesos químicos de forma que se
minimice el potencial de accidentes químicos, incluidas las emanaciones,
explosiones e incendios.
I.4 Relación de la química verde con otras disciplinas.
En general podemos establecer que la química verde, más que ser una disciplina en sí
misma, es una combinación de diversas disciplinas. Dado que la química verde tiene
entre su meta u objetivos reducir la generación de residuos contaminantes, tiene relación
con la ecología, las ciencias ambientales y la toxicología. Dado que el objetivo es aplicar
Química Verde
23
los principios de la química verde en procesos industriales, tiene una íntima relación con
la ingeniería y con la química (Anastas, et al., 2000).
La figura 1.2 muestra la relación entre la química verde y otras disciplinas.
1.5 Contexto Industrial de la química verde.
Uno de los retos más importantes de la química industrial es la innovación de productos
provenientes de procesos de química verde con objeto de mantener la eficiencia del
producto, pero incorporando el concepto de reciclabilidad y sustentabilidad dentro del
proceso industrial, de manera que sean ambiental y económicamente aceptados para
llevar a cabo la producción. (Doménech, 1999)
A pesar del hecho de que la industria química ha realizado grandes esfuerzos por
minimizar el impacto de sus procesos, esto no implica que haya una verdadera reducción
en la generación de subproductos contaminantes y que realmente se lleve a cabo la
producción de materiales fácilmente degradables o reciclables. (Mestres, 2008)
En muchas ocasiones la implementación de medidas para lograr estos aspectos ha
implicado un aumento en los costos de producción, en términos de reducción o
Quimica Verde.
Quimica.
Ingenieria.
Toxicologia.
Ciencias Ambientales.
Figura 1.2 Interrelación de la química verde con otras disciplinas. Fuente: Marín, C. T., Sosa Granados, G., Rodríguez Herrera, R., & Robles Martínez, F. (2009). Ecología industrial y desarrollo sustentable. Ingeniería 13-1 (Artículo de Divulgación), 63-70.
Anhídrido Maleico.
24
tratamiento de los contaminantes. En ciertos casos es mucho más efectivo, tanto desde
el punto de vista económico como ecológico, el rediseño de los procesos químicos de
producción (Yarto, et al., 2004).
Los “12 principios” están dirigidos primordialmente a la química preparativa, y los mayores
éxitos de su aplicación se han dado en la industria farmacéutica.
Sin embargo, a la química del siglo XXI se le presenta un reto de ámbito mucho más
amplio: cortar en su mismo origen cualquier tipo de contaminación y riesgo debido a las
sustancias y conversiones químicas. (Anastas, Bartlett, Kirchhoff, & Williamson, 2000)
La demanda social de bienes materiales es satisfecha por diversos tipos de industrias y
sectores, que se pueden presentar en cuatro grupos: producción de energía (incluido el
transporte), industria química, cemento (y otros materiales de construcción) y metalurgia.
(Turton & Shaeiwitz, 2003)
Del sector de la industria química, amplio espectro de procesos que usan productos y
materiales derivados de esta industria, como lo son la farmacéutica, agricultura, fibras y
colorantes textiles, materiales plásticos, pigmentos, disolventes, papel, etc.
Todos estos sectores sin excepción:
a) Contribuyen directamente a la generación y emisión de contaminantes químicos,
y.
b) Se nutren fundamentalmente de materiales extraídos del subsuelo.
Así, por ejemplo, la producción de energía eléctrica por combustión de carbón es uno de
los orígenes principales del dióxido de carbono, de los óxidos de azufre y nitrógeno, del
mercurio y de otros metales tóxicos, emitidos a la atmósfera. (Turton & Shaeiwitz, 2003)
La utilización de sustancias químicas en la agricultura ha conducido a la diseminación
por todo el planeta de los insecticidas policlorados, mientras que una multitud de
aplicaciones tecnológicas ha justificado el amplio uso de los policlorobifenilos (PCB),
también presentes en todo el planeta. (John C, Amy S, & Kevin M, 2004)
Química Verde
25
Los plásticos son particularmente persistentes en el medio ambiente y aparecen
diseminados en multitud de lugares. Algo parecido ocurre con el cemento y otros
materiales de construcción. (Lawson, 1978)
Por otra parte, la extracción de petróleo y gas del subsuelo, la minería del carbón y los
imprescindibles procesos de limpieza y refinado son orígenes muy importantes de
contaminación. Lo mismo es válido para la minería, el procesado inmediato de los
minerales y la metalurgia del hierro, del acero y de otros metales, causantes de una
contaminación fuerte y persistente por metales tóxicos, polvo y ácidos de roca. (Turton &
Shaeiwitz, 2003)
En este contexto resulta conveniente añadir tres consideraciones.
En primer lugar, la simple introducción en la ecosfera de materiales hasta ahora
mantenidos en el subsuelo supone un incremento del potencial global de contaminación.
En segundo lugar, la condición limitada de las fuentes de materiales fósiles disponibles
en el planeta para la producción de energía y para la industria química orgánica, obliga a
la búsqueda de fuentes alternativas. (Turton & Shaeiwitz, 2003)
El agotamiento irreversible de las fuentes es válido, así mismo, para los metales escasos,
y no se puede olvidar que el agua es localmente escasa en algunos países en desarrollo,
y puede serlo de manera general en un próximo futuro. (Phair, 2006)
Como tercera consideración, el incremento antropogénico (efectos, procesos o
materiales derivados del hombre) de la concentración de los gases invernadero en la
atmósfera es una forma de contaminación. Este incremento provoca un desajuste en el
estado estacionario del efecto invernadero y puede contribuir de manera sustancial al
calentamiento global. (Phair, 2006)
Excepto los compuestos halocarbonados, cuya sustitución por otras sustancias inocuas
es un tema de alta prioridad en la industria química, los gases invernadero estaban ya
presentes en la atmósfera antes de la era industrial; las emisiones asociadas a la
actividad humana contribuyen simplemente a la elevación de su concentración. (Bridge,
2004)
Anhídrido Maleico.
26
En la figura 1.3 se muestra el origen de las materias primas para el procesamiento y
obtención de un producto.
Se trata de una situación de contaminación debida al incremento de concentración de un
componente natural (Doménech, 1999).
Debe esperarse de la química una contribución relevante al reverdecimiento de todos los
sectores productivos mostrados arriba. Esto supone la minimización de la introducción
en la ecosfera, y de la generación, de materiales susceptibles de contribuir a la
contaminación y de ocasionar otros efectos nocivos. (Vargas Afanador & P, 2007.)
Las estrategias sostenibles, los campos de investigación y los progresos alcanzados son
notables en industrias como la química fina y la farmacéutica, pero la definición de rutas
para la contribución química al reverdecimiento de la metalurgia, la producción de
cementos o la reducción del recurso a los carburantes de origen fósil, queda muy por
detrás. Bajo la orientación de estas estrategias se abren unos campos en los que la
química debe aportar soluciones efectivas (Mestres, 2008).
Figura 1.3 Flujo de materiales desde la litosfera a la ecosfera. Fuente: Bridge, G. (2004). Contested terrain: mining and the environment. Annual Review of Environmental Resources, 205-259
Química Verde
27
I.6 Ejemplos del empleo de la química verde.
Los procesos de producción de cemento, hierro, acero y otros metales se basan en
transformaciones químicas que parten de mezclas de materiales de origen mineral.
La mejora de estos procesos, con el fin de reducir su consumo energético, la generación
de dióxido de carbono en el propio proceso y la emisión de metales tóxicos a la atmósfera
constituye un gran desafío para la química. (Anastas & Kirchoff, 2002)
Por ejemplo, Algunos estudios ya muestran que es posible la manufactura del cemento
con menor consumo energético y mejor calidad del producto y rentabilidad económica, a
partir de productos reciclados o de desechos del tratamiento de minerales (Phair, 2006).
La química ha prestado desde la mitad del siglo XIX una especial atención al proceso
químico industrial, que se reorienta ahora bajo la óptica de la Química Verde y Sostenible,
con su reverdecimiento como objetivo. (Anastas, Kirchhoff, & Williamson, 2001)
En el proceso químico unas materias de partida sufren conversión en el reactor bajo la
acción de unos reactivos, con frecuencia en presencia de catalizadores. Los disolventes
facilitan la mezcla de los reactivos y participan después en los procedimientos de
aislamiento y purificación. Se emplea energía en la calefacción, la refrigeración y la
agitación en las fases previas, en la conversión química como tal, en la separación y
purificación del producto, y en la recuperación de disolventes y de los otros materiales
auxiliares usados. (Manley, Anastas, & Berkeley, 2008)
La figura 1.4 muestra los componentes generales que participan en un proceso químico,
con el fin de obtener el producto deseado.
El producto de la reacción puede ser un intermedio de síntesis o bien un producto para
ser suministrado a otro sector industrial, pero viene casi siempre acompañado de unos
productos secundarios, resultantes de las rutas de conversión que compiten con la
principal, y de unos productos concomitantes, aquellos que aparecen formulados en la
ecuación química completa. (Allen and Shonnard, 2001)
Anhídrido Maleico.
28
Los productos secundarios, junto con los disolventes, constituyen la masa principal de
los residuos del proceso.
El gran impulso de la química verde se ha debido en parte al progresivo conocimiento de
la toxicidad de las sustancias y de sus efectos sobre el medio ambiente y, por supuesto,
a la creciente capacidad de los químicos para manipular átomos y moléculas, y crear de
forma selectiva y eficiente solo aquellas sustancias intrínsecamente menos tóxicas y
nocivas y que conservan e incluso aumentan su eficacia respecto de la función para la
cual han sido diseñadas. (National Research Council, 2005)
Aunque todavía la química verde se encuentra en una etapa incipiente de descubrimiento
y aplicación industrial, son ya muy numerosas las iniciativas de investigación y desarrollo
que han resultado en importantes beneficios económicos y ello explica la gran aceptación
de la química verde por parte de grandes empresas químicas, cuya estrategia
empresarial incorpora la aplicación y el desarrollo de productos y procesos seguros y
ambientalmente benignos. (Yarto Ramìrez, Gavilàn Garcìa, & Martìnez Cordero, 2004)
Estos son algunos ejemplos de la aplicación industrial de la química verde:
• UQUIFA, una empresa del sector químico-farmacéutico ha logrado eliminar casi
en un 100% la utilización de disolventes contaminantes en el proceso de
producción de medicamentos anti-ulcerativos y antiinflamatorios mediante la
aplicación de los principios de la química verde.
Disolventes
El Proceso Químico.
Materias de partida
Reactivos
Energía
Productos
Productos Secundarios.
Productos Contaminantes
Ingredientes Resultantes
Figura 1. 4 Constituyentes de un proceso. Fuente: Burton, R. C., & Shaeiwitz, J. A. (2003). Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes. Prentice-Hall.
Química Verde
29
La mejora del nuevo proceso es significativa pues en el sector de fabricación de
principios activos de los medicamentos se pueden llegar a producir hasta 100 kg
de residuos por cada kilogramo de producto comercializado. Una consecuencia
adicional de la innovación es que ha permitido reducir hasta un 50% el coste de
producción de los principios activos. (UQUIFA, 2015)
http://www.uquifa.com/products-services/vmchk
• Bayer Chemicals ha descubierto una nueva aplicación para la polisuccinimida en
formulaciones de productos para la limpieza. La innovación radica en que el nuevo
producto, a diferencia de los polímeros acrílicos usados tradicionalmente, es
biodegradable, reduciendo de esta forma la alteración de las aguas naturales
subterráneas.
El producto presenta, además, otra propiedad química beneficiosa para la eficacia
del mismo pues incrementa la durabilidad de su efecto como dispersante. (Bayer,
2015) http://www.bayer.com/
• BASF ha diseñado nuevas condiciones de reacción para la síntesis de un producto
químico necesario para la producción de polímeros. Las nuevas condiciones de
reacción hacen uso de los líquidos iónicos, propuestos recientemente por la
comunidad científica dedicada a la química verde, como uno de los disolventes
alternativos.
Los investigadores de BASF explican que, por primera vez, los líquidos iónicos,
hasta ahora sólo utilizados en los laboratorios de investigación, se han usado a
escala industrial en un proceso comercial, lo que demuestra su utilidad y abre
nuevas perspectivas para futuras aplicaciones industriales. La innovación ha
resultado en un aumento del rendimiento de la reacción química así como en una
mejora en las condiciones de manipulación de la mezcla de reacción, lo que ha
conllevado un incremento de la capacidad de producción en planta del 300%. (Basf
Mexicana, 2016) https://www.basf.com/mx/es.html
Anhídrido Maleico.
30
• Aventis ha ideado una nueva síntesis de la hidrocortisona mediada por
microorganismos. La hidrocortisona es un importante intermedio en la síntesis de
medicamentos esteroides cuya síntesis clásica implica alrededor de 40 pasos.
El nuevo proceso, que utiliza un microorganismo recombinante que crece en un
medio nutritivo simple, ha permitido reducir la síntesis a un solo paso. El nuevo
proceso permitirá llevar a cabo un proceso industrial que minimiza la generación
de residuos de forma extraordinaria y constituye un ejemplo notable de aplicación
de la ingeniería genética en la producción más limpia. (Aventis Sanofi, 2015)
http://www.sanofi.com.mx/l/mx/sp/index.jsp
• GlaxoSmithKline ha presentado a la comunidad científica y tecnológica un sistema
que permite la cuantificación de los procesos químicos en la industria farmacéutica
en cuanto a su impacto ambiental. El objetivo de este instrumento es que los
químicos dispongan de una herramienta sencilla y rigurosa para poder crear
nuevos procesos químicos de tal forma que, desde las fases iniciales del diseño,
se tome en cuenta el factor medioambiental.
El sistema está basado en el análisis del ciclo de vida de los productos y procesos
químicos. (GlaxoSmith, 2015) http://ar.gsk.com/
• Protensive, una pequeña empresa del Reino Unido, ha desarrollado una nueva
generación de reactores químicos miniaturizados que operan en condiciones de
gravedad forzada estableciendo condiciones hidrodinámicas en la mezcla de
reacción que resultan en una mejor eficiencia en la síntesis, eliminando la
formación de subproductos y reacciones no deseadas que generen residuos. Esta
innovación pone de manifiesto la idoneidad de combinar la ingeniería con los
principios de la química verde. (Vargas Afanador & P, 2007.)
• Lilly Research Laboratories de la compañía farmacéutica Eli Lilly ha rediseñado su
síntesis de una droga con propiedades anticonvulsivas, LY300164. Este fármaco
se utiliza para tratar la epilepsia y enfermedades neurodegenerativas. La antigua
síntesis consistía en un proceso económicamente viable, aunque algunos de los
Química Verde
31
pasos fueran problemáticos. Por ejemplo, se producían elevadas cantidades de
residuos de plomo, se necesitaba un paso adicional de activación y todo el proceso
necesitaba grandes cantidades de disolventes. La síntesis actual significa una
importante mejora ambiental del proceso. Se eliminaron aproximadamente 34.000
litros de disolventes y 300 kg de residuos de cromo por cada 100 kg de LY300164
producidos. Sólo fue necesario aislar 3 de los 6 intermedios de síntesis. Se redujo
la exposición de los trabajadores a agentes nocivos y se redujeron
significativamente los costes del proceso. El nuevo esquema sintético demostró
ser más eficiente que el anterior, pasando de un rendimiento del 16% al 55%. El
nuevo protocolo fue posible combinando innovaciones procedentes de la química,
la microbiología y la ingeniería. El proceso ha resultado ser de aplicación general
y debido al bajo coste de las tecnologías utilizadas seguramente tendrá una amplia
aplicación dentro del sector. (Lili Research Laboratories, 2015)
https://www.lilly.com/Research-development/RDLocations.aspx
• Pfizer ha desarrollado la síntesis verde de su especialidad farmacéutica Viagra™,
la se prescribe para el tratamiento de las disfunciones eréctiles. El éxito de este
medicamento ha sido muy notable como lo indica su consumo a nivel mundial, del
orden de 9 comprimidos cada segundo. La clave de su éxito es su principio activo,
el sildenafilo, una molécula orgánica que se obtiene mediante una síntesis que
originalmente implicaba más de 15 etapas y que sólo en las etapas finales se
generaban 1000 litros de residuos orgánicos por kg de sildenafilo producido. Con
el objetivo de reducir la generación de residuos en las últimas etapas de la ruta,
Pfizer ha desarrollado una nueva síntesis química comercial para la fabricación del
sildenafilo que se basa en la aplicación de los principios de la química verde. Las
innovaciones introducidas han supuesto una nueva ruta comercial en la que los
residuos orgánicos producidos han descendido a tan sólo 2 litros por kg de
sildenafilo. Además, la síntesis verde ha logrado reducir el número de disolventes
utilizados, de 6 a 2, su cantidad anual producida, de 125,000 a 13,500 litros, y su
toxicidad intrínseca al sustituir el uso de disolventes tóxicos como la piridina.
(Pfizer, 2015) http://www.pfizer.com/
Anhídrido Maleico.
32
I.7 Química Verde en México.
En México se han realizado diversas actividades para el desarrollo de tecnología, así
como para la optimización de procesos mediante el uso de sustancias químicas
amigables con el ambiente, tanto por instituciones de investigación públicas o privadas,
motivadas principalmente por incentivos económicos a través de los programas del
Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT).
En el sector industrial también se han desarrollado programas para la mejora de procesos
o sustitución de sustancias peligrosas, con la finalidad de reducir la generación de
residuos peligrosos, mejorar el rendimiento de los procesos, y eliminar gastos por el
manejo de residuos y optimizar el consumo de materias primas. (ANIQ, s.f.)
Tabla 1. 1 Producción de la Industria Química en México.
Sector 2001 2002 % 02/01
Fertilizantes 283,341 234,402 -17.27
Fibras artificiales y sintéticas 566,497 526,196 -7.11
Hules sintéticos y Negro de Humo 252,384 251,317 -0.42
Inorgánicos básicos 5,838,229 5,823,210 -0.26
Petroquímicos PEMEX 6,969,166 6,155,710 -11.67
Otros petroquímicos 2,093,070 2,230,151 6.55
Resinas sintéticas 2,436,478 2,376,948 -2.44 Fuente: Asociòn Nacional de la Industria Quìmica. Recuperado el Enero de 2016, de
http://webpublico.aniq.org.mx/PromocionDesarrollo/Paginas/CIPRES.aspx
De los principales esfuerzos realizados en México cabe destacar los siguientes
• Centro Mexicano De Química En Micro escala de la Universidad Iberoamericana
en la categoría de Capítulo Afiliado al Green Chemistry Institute, impartió el primer
taller de química verde en México en julio del 2003. Sus principales actividades
están relacionadas con la capacitación y desde 1990 con promover en México y
en otros países el uso de técnicas de laboratorio en micro escala (usando
cantidades de micro/ mililitros y miligramos) (Universidad Ibero Americana, s.f.).
Química Verde
33
• Mesa Redonda Para La Prevención De La Contaminación En México/Centro
Mexicano Para La Producción Más Limpia: Una de las formas más exitosas para
promover la introducción de estrategias de prevención de la contaminación en la
gestión ambiental, así como de sus prácticas en las actividades económicas de
los países ha sido, sin lugar a dudas, la organización de mesas redondas de
prevención de la contaminación. La Mesa Redonda de Prevención de la
Contaminación en México (MRPCM) es una organización que difunde y objetivos
estrategias, acciones, herramientas y beneficios en el sector industrial y de
servicios, por medio de la vinculación y trabajo conjunto de estos y otros sectores
involucrados como el académico, de investigación, de consultoría, gubernamental,
no gubernamental y financiero, con el fin de lograr un desarrollo sustentable en
México. Así mismo busca establecer un vínculo a mediano plazo con las mesas
redondas de los Estados Unidos y Canadá, lo cual permitirá en un futuro cercano,
avances y mejoras en la situación ambiental de la región de América del Norte. En
este marco se establecieron cinco grupos de trabajo integrados por personas de
los ámbitos académicos, gubernamental, industrial y de servicios, entre otros,
quienes trabajan en conjunto con las instituciones participantes para cumplir los
objetivos de la Mesa Redonda. Como parte del programa que ejecutó el Grupo de trabajo No. 1 se realizó la
compilación de la información, análisis y edición del catálogo de 68 casos exitosos
de prevención de la contaminación en México, donde se implantaron medidas de
reciclaje de sustancias y materiales, sustitución de sustancias por otras de menor
peligrosidad, instalación de equipos de control y aplicación de buenas prácticas de
ingeniería. (Universidad Ibero Americana, s.f.).
Basándose en investigaciones de campo así como en la base de datos de investigadores
del CONACYT, se identificaron centros que realizan investigación y desarrollo de
tecnología dentro de los cuales se han llevado a cabo algunos trabajos que involucran
las prácticas de química verde.
Anhídrido Maleico.
34
A continuación, se presenta una tabla en donde se enlistan algunos de los centros de
investigación involucrados con la química verde.
Tabla 1.2 Centros de Investigación con trabajos relacionados a la química verde en México.
INSTITUCIÓN
Cantidad de investigadores con temas relacionados con
la química verde o sustentabilidad.
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla 1 Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.
1
Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C.
2
Centro de Investigación en Química Aplicada 1 Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN
2
Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C.
1
Instituto de Ecología, A.C. 1 Instituto Mexicano del Petróleo 1 Instituto Nacional de la Pesca 1 Instituto Nacional de Salud Pública 1 Instituto Politécnico Nacional 1 Instituto Tecnológico de Sonora 1 Universidad Autónoma Chapingo 1 Universidad Autónoma de Baja California 1 Universidad Autónoma de Baja California Sur 1 Universidad Autónoma de Campeche 1 Universidad Autónoma de Chiapas 1 Universidad Autónoma de Coahuila 1 Universidad Autónoma de Nuevo León 2 Universidad Autónoma de San Luis Potosí 1 Universidad Autónoma de Yucatán 2 Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo 1 Universidad Autónoma del Estado de México 3 Universidad Autónoma del Estado de Morelos 1 Universidad Autónoma Metropolitana 2 Universidad de Guadalajara 1 Universidad de Guanajuato 1 Universidad de las Américas-Puebla 1 Universidad Iberoamericana 3 Universidad Nacional Autónoma de México 18 Universidad Veracruzana 2 TOTAL 57
Fuente: Conacyt 2015. Líneas de investigación. www.conacyt.mx/dacgci/lineas.html. Consultado en abril de 2015.
Química Verde
35
I.8 Perspectivas de la química verde.
Hasta el momento se ha presentado una visión general de los objetivos, estrategias, y
conceptos relacionados con la química sostenible. Su objetivo último es minimizar el flujo
de productos químicos que se vierten en el medio ambiente, incluidos los gases
invernadero, en todo tipo de actividad industrial basada en transformaciones químicas.
(Vargas Afanador & P, 2007.)
El gran paso hacia la química verde debe darse primordialmente en la industria química,
con el diseño de procesos y de productos bajo la guía de los principios de Anastas y
Warner, con el empleo de productos químicos procedentes de las fuentes renovables.
(Anastas & Williamson, 1996)
No obstante, en estos avances, la química, y en especial la química verde, tienen frente
a sí desafíos muy interesantes. Entre estos desafíos podemos mencionar el desarrollo
de:
• Materiales estructurales mejorados para la industria de la construcción. (Ej. El proceso
industrial del cemento).
• Métodos más eficientes para la reutilización de los materiales de reciclaje.
• Desarrollo de biopolímeros, y biomateriales
• Desarrollo de Productos químicos menos tóxicos y contaminantes.
•Biocatalizadores que permitan la reducción de subproductos y la disminución de las
etapas de separación.
• Agroquímicos (plaguicidas y fertilizantes) menos dañinos para el medio ambiente.
En los tiempos actuales en que los conceptos de desarrollo sustentable, ecología, cambio
climático y calentamiento global son conceptos que manejamos casi cotidianamente y
que implican una conciencia cada vez mayor. El desarrollo de la química verde está en
una etapa crucial, donde se ha demostrado cómo es posible mejorar los procesos
actuales con el fin de abatir los efectos de las actividades humanas sobre nuestro planeta.
(Anastas & Kirchoff, 2002).
Anhídrido Maleico.
36
CAPÍTULO II.
ANHIDRIDO MALEICO
Dentro de este capítulo hablaremos del Anhídrido Maleico y para facilitar su
entendimiento y lectura lo llamaremos (AM).
El AM es un compuesto químico altamente versátil en el sector de la química industrial,
en la última década ha aumentado ampliamente su demanda de consumo y por lo tanto
ha incrementado su producción por casi todos los continentes, por ello muchas de las
empresas productoras has estado diseñando alternativas y rediseñando sus procesos
con la finalidad de tener buenas practicas industrialmente sustentables con el medio
ambiente.
II.1 Historia sobre la producción de Anhídrido Maleico.
A principios de los años 30s, el AM fue comercialmente producido primero, mediante la
oxidación en fase vapor de benceno. El uso de benceno como materia prima para la
producción de AM fue dominante en el mercado mundial hasta bien la entrada la década
de los 80s. (Meyer, Regenhardt, & Bertone, 2012)
Varios procesos han sido utilizados para la producción de AM, siendo la ruta del benceno
la más común para ese entonces. Durante este periodo de los años 30s, se llegó a
obtener AM a partir de la producción de Anhídrido Ftálico, proceso en el que pequeñas
cantidades de ácido fumarico y AM se producían como un subproducto. (Wiley J. , 2007)
El benceno es una materia prima que fue usada por su alta selectividad para obtener el
AM, aunque el benceno era fácilmente oxidado se obtenían altas cantidades de residuos
contaminantes, por lo que empezaron a crearse medidas regulatorias para su producción,
por ende fue la razón principal por la que varias compañías empezaron a desarrollar
nuevos procesos para la obtención de AM, además de mencionar el incremento en el
precio del benceno a comparación de otras materias primas que podían utilizarse para la
producción, como ejemplo de esto fueron los hidrocarburos ligeros, por tal motivo como
Química Verde
37
eje de partida en U.S.A se intensifico la búsqueda y la tecnología de procesos
alternativos. Estas razones llevaron a la planta JF de Monsanto en 1974 a desarrollar la
primera producción comercial de AM a partir de n-butano. (Bond, 1987)
A principios de 1980, la capacidad de fabricación de AM en U.S.A, usando como materia
prima la conversión de n-butano, ya estaba en marcha utilizando catalizadores
desarrollados por Monsanto, Denka, y Halcón. En 1983, Monsanto puso en marcha la
primera planta en el mundo de n-butano/AM, con el propósito de la incorporación de un
sistema eficiente de energía a base de la recolección o reutilización de disolvente usado
en el proceso. (Shekari & Patience, 2010)
Monsanto, siendo para ese entonces la planta más grande del mundo, con una capacidad
de producción de 59.000 ton / año y para el año 1999 ya se producían 105.000 ton/ año.
Los avances en la tecnología de catalizadores delibero el aumentó las presiones
regulatorias para el desarrollo de estos, y las continuas ventajas de costo del n-butano a
comparación del benceno, llevaron a una rápida sustitución de la materia prima para este
proceso. (Weekly, 2011)
A mediados de la década de los 80s en U.S.A el 100% de la producción de AM ya utilizaba
el n- butano como materia prima.
Con el rápido desarrollo del proceso diseñado en un reactor de lecho fijo a base de n-
butano, varias empresas han desarrollado variaciones del proceso, poniendo énfasis en
el diseño del reactor, como por ejemplo el proceso en un reactor de lecho
fluidizado. (Wiley J. , 2007)
Dos empresas, Badger y Denka, colaboraron en el desarrollo de un sistema de principios
de reacción de lecho fluido que se desarrolló a través de la etapa de una planta piloto,
pero nunca llego a ser comercializado por estas empresas. (Lawson, 1978)
Las tecnologías basadas en lecho fluido se comercializaron durante la última mitad de la
década de los 80s en U.S.A por Mitsubishi Kasei y Sohio (British Petroleum), mientras
que en Europa también se había desarrollado gran parte de la tecnología de AM a base
Anhídrido Maleico.
38
de n-butano con la construcción de varias instalaciones como CONDEA-Huntsman,
Pantochim y Lonza. (Bond, 1987)
El crecimiento de la ruta de obtención vía n-butano ha sido predominante para el sector
industrial del Anhídrido Maleico.
Actualmente Huntsman Specialty Chemicals Corp. anteriormente Monsanto, y DWE
tienen la intención de cooperar en el desarrollo de catalizadores y tecnología de reactores
para permitir la operación a 50% más de productividad que el proceso estándar de n-
butano. (Wiley J. , 2007)
Tres procesos de lecho fijo de Huntsman, Pantochim y Diseño Científico respectivamente
y dos procesos de lecho fluidizado de Alusiusse-Lummus (ALMA) y BP Chemicals, se
ofrecen actualmente para la licencia de producción de AM (Kirk et al. 2005).
II.2 Principales Características y Usos.
El AM es un compuesto orgánico con la fórmula C2H2 (CO) 2O, reconocido como anhídrido
butanodioico, anhídrido toxilico 2,5-dioxofurano. En su estado puro es un sólido blanco o
incoloro con un olor acre. (Grupo IDESA, s.f.)
El AM es un sólido a temperatura ambiente. Por encima de 52,9 ° C se convierte en un
líquido claro incoloro de baja viscosidad. (Wiley J. , 2007)
El AM es soluble en agua, formando ácido maleico. El AM también es un subproducto de
la producción de anhídrido ftálico. Es un fuerte irritante de la piel, los ojos y las
membranas mucosas del sistema respiratorio. (Kirk et al. 2005).
La Tabla 2.1 Explica algunas de las propiedades físicas y químicas del anhídrido maleico
industrial.
Química Verde
39
Tabla 2. 1 Propiedades Físicas y Químicas del Anhídrido Maleico
Propiedad Anhídrido maleico Fórmula C 4 H 2 O 3 Peso de la fórmula, g 98.06 Punto de fusión, o C 52.85 Punto de ebullición, o C 202 Calor de formación, kJ / mol d -470.41 Calor de combustión, kJ / mol d -1.389,5 La capacidad calorífica, kJ / (K mol) d Sólido Líquido
0.1199 0,164
El calor de sublimación, kJ / mol d 71.5 El calor de vaporización, kJ / mol d 54.8 Calor de fusión, kJ / mol d 13.55 El calor de hidrólisis, kJ / mol d -34.9
Fuente: Maleic Anhydride, Maleic Acid, and Fumaric Acid. En Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology.
Vol. 15 (pág. 481). 5th ed. Hoboken.
La naturaleza única de la estructura química del AM resulta en una materia prima
altamente reactiva y versátil. Su grupo de doble enlace insaturado y el ácido anhídrido se
prestan en una variedad de reacciones químicas. (Weekly, 2011)
Hoy en día el uso más común del AM es en la producción de resinas de poliéster
insaturadas (UPR). Estas resinas se utilizan principalmente en la fabricación de plásticos
reforzados con fibra; materiales con una amplia y creciente gama de aplicaciones en las
industrias de navegación aérea, industria automotriz y la industria de la construcción.
(Wiley J. , 2007)
Otro uso importante del AM está en la manufactura de resinas alquílicas, que a su vez se
utilizan en pinturas y recubrimientos. El AM también es usado como material de partida
para la síntesis de otros compuestos como por ejemplo el 1,4-butanodiol, el cual es
utilizado como solvente en síntesis químicas, producción de algunos plásticos, fibras
elásticas y poliuretanos. (Fernàndez, Vega, & Dìez, 2010)
Anhídrido Maleico.
40
El AM es un intermediario importante en la industria de la química fina, particularmente
en la fabricación de productos químicos agrícolas y aditivos para aceites lubricantes.
También es un componente de varios copolímeros en el sector de polímeros de
ingeniería. (Caldarelli, Cavania, & Luciania, 2010)
El AM es el clásico de la reacción Diels-Alder. Fue para el trabajo en 1928 en donde
fueron galardonados con el premio Nobel en 1950. Es a través de esta reacción que el
AM se utiliza en muchos pesticidas y productos farmacéuticos. (Asghar, Taufiq-Yap, &
Rezae, 2010). Algunos productos químicos especiales que se pueden preparar a partir
de AM incluyen el ácido tartárico, dietilo y dimetilo, ácido succínico glioxílico, ácido málico,
m-ftalato de diisobutilo-hexahidro, anhídrido succínico, anhídrido tetrahidroftálico y
ésteres metílicos. (Caldarelli, Cavania, & Luciania, 2010)
Aproximadamente el 51% de todo el AM consumido en 2008 fue para la producción de la
UPR, a esta resina se le añaden fibras de vidrio cortadas para producir plásticos
reforzados, que se utilizan en una amplia gama de aplicaciones tales como accesorios
de baño, automóviles, tanques y tuberías. (Weekly, 2011)
La producción de 1,4-butanodiol (BDO) representó un 13% del consumo total. Otros
derivados importantes del AM son el ácido fumárico, que representa el 4%, y aditivos
para aceites lubricantes, que tiene una cuota de consumo del 3%. Estos aditivos de
aceites lubricantes se utilizan en los aceites de la gasolina y diésel como dispersantes e
inhibidores. (Wiley J. , 2007)
El resto del consumo es en usos diversos, incluyendo copolímeros, ácido máleico,
plastificantes, productos químicos agrícolas, resinas alquídicas, y una serie de productos
químicos especializados y productos intermedios orgánicos. También el AM está siendo
usado para la producción de procesos sustentables. Bayer, por ejemplo, ha desarrollado
iminodisuccinato, un agente quelante biodegradable, y ácido poliaspártico, un agente
dispersante también biodegradable. El AM se usa en la producción de estos productos,
que actualmente se está fabricando en Leverkusen, Alemania para comercialización en
todo el mundo. (Weekly, 2011)
Química Verde
41
Grafico 2. 1 Porcentajes de los usos del Anhídrido Maleico (Resinas de poliéster insaturadas UPR y 1-4 Butanodiol BDO). Fuente: SRI Consulting Company (1994) Market & Economic Maleic Anhydride.
UPR51%
BDO13%
Fumaric Acid4%
Lube Oil, Aditives3%
Others29%
Anhídrido Maleico.
42
Figura 2. 1 Aplicaciones del Anhídrido Maleico Fuente: IDESA Petroquímica http://www.grupoidesa.com/
Química Verde
43
II.3 Aspectos económicos del Anhídrido Maleico.
La crisis económica del 2007 al 2009 contribuyó a una gran caída en el consumo del
mercado de AM en la mayor parte del mundo. Principalmente el mercado de la resina de
poliéster insaturado, la mayor aplicación de AM. (Asghar, Taufiq-Yap, & Rezae, 2010)
A finales del 2009, varios mercados comenzaron a mejorar y se produjo un aumento
significativo en la demanda de producción de AM en el 2010. (Carreño M, 2013)
Los países en desarrollo, representan el mayor consumo de AM para la fabricación de
UPR, esto debido a la amplia cantidad de resina que entra en la infraestructura. La
producción de AM para butanodiol creció principalmente en Asia y el Medio
Oriente. (Carreño M, 2013)
El AM está teniendo importancia dentro del diseño de procesos sustentables, para la
obtención de nuevos productos. Sin embargo, la demanda mundial de AM en los últimos
cinco años ha tenido un crecimiento rápido, teniendo la tasa de crecimiento anual de
7.3%, de los cuales el crecimiento medio anual de la demanda de tasa de AM es del 4%
en América del Norte, mientras que la tasa de crecimiento en el oeste Europa y Japón,
son de 12% y 6,5% respectivamente. (Tecnon OrbiChem, 2013)
La capacidad de producción actual de AM en Asia, representa el 44% de la capacidad de
producción mundial, la región de Asia es la mayor base de producción de AM en el
mundo, la capacidad de producción anual de AM en China ha estado representando el
35% de la capacidad de producción mundial actual (Tecnon OrbiChem, 2013)
La creciente demanda de AM ha provocado la expansión de la capacidad de las
empresas, principalmente en Europa y Asia Pacífico. (Tecnon OrbiChem, 2013)
Sin embargo, se esperan los resultados de los continuos esfuerzos en investigación y
desarrollo, para proporcionar enormes oportunidades de mercado tales como el bio-
anhídrido maleico. (Shekari & Patience, 2010)
El siguiente gráfico muestra la producción mundial de anhídrido maleico en 2012.
Anhídrido Maleico.
44
El grafico 2.3 Indica la demanda y la oferta de AM a partir del 2000 al 2020.
De acuerdo con la industria química, la demanda de AM se incrementó en un 15% desde
el año 2000 al 2005, y 15,38% respecto al año 2005 y 2010.
Se estima que la demanda crecerá a un ritmo del 7,8% desde el año 2010 a 2015, debido
a la alta demanda de la producción de las fibras elásticas, termoplásticos, recubrimientos,
solventes, productos farmacéuticos y productos químicos electrónicos. Su demanda
aumentará en un 13,6% desde 2015 hasta 2020. (SRI Consulting Company, 1994)
El suministro de AM se incrementó en un 18,22% respecto al año 2000 a 2005, y el
18,18% desde el año 2005 hasta 2010. Su producción está prevista que aumente en
35,74% respecto al año 2010 a 2015, y un incrementó en un 11,11% respecto al año
2015-2020.
Grafico 2. 2 El consumo mundial de anhídrido maleico para el año 2012. Fuente: Anhídrido maleico (MA): 2013 World Market Outlook y Pronóstico hasta 2017.
China, 52.90%
USA, 15.00%
Italia, 4.70%
Alemania, 4.90%
Japón, 5.00%
Otros Paises, 17.50%
Química Verde
45
En la tabla 2.2 Se muestra el top 10 de las empresas productoras de AM en el año 2015.
La unidad de medida mostrada en la siguiente tabla está en KTon/año (kilo tonelada
métricas por año).
Tabla 2. 2 Las 10 mejores compañías productoras de Anhídrido Maleico en el año 2015.
Compañía Localidad Huntsman Corporation Estados Unidos Jiangsu Yabang Group China Bohai Chemicals China Sasol/Huntsman Alemania Polynt Italia Shanxi Tayiuan Qiaoyou Chemicals China Zibo Qixiang Tengda Chemicals Co. China Ningbo Jiangning Chemicals China Shandong Hongxin Chemical Industry Co.
China
Lanxess Estados Unidos Fuente: Tecnon Orbichem reports, APIC 2015
Grafico 2. 3 Comparación de la oferta y la demanda de anhídrido maleico para el Mercado Global. Fuente: Anhídrido maleico (MA): 2013 World Market Outlook y Pronóstico hasta 2017.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
2000 2005 2010 2015 2020
KTon
(Cap
acid
ad)
Año
Oferta
Demanda
Anhídrido Maleico.
46
II.4 Principales Procesos de Producción Para la Obtención de Anhídrido Maleico.
Como ya se describió anteriormente el AM fue producido por primera vez, mediante la
oxidación de benceno, debido a varios factores tales como, alto costo de la materia prima
(benceno), y alta obtención de CO2 como subproducto, empezaron a buscarse
alternativas que pudieran sustituir el uso de esta sustancia.
A partir de esto, diferentes empresas productoras comenzaron a diseñar un proceso que
fuese más sustentable económicamente y ambientalmente, por ello se comenzó a usar
la oxidación parcial de hidrocarburos ligeros, siendo el n-butano la materia prima más
usada hasta nuestros días. (Carreño M, 2013)
La figura 2.2 muestra la configuración básica de una planta productora de AM.
Figura 2. 2 Configuración básica de una planta de Anhídrido Maleico.
La primera etapa de la configuración consta de la preparación de la alimentación, esta
etapa cubre el suministro de reactivo al reactor. En todos los casos, se entremezclan de
manera controlada hidrocarburo vaporizado y aire comprimido, utilizando mezcladores
estáticos en línea, en esta etapa se adiciona el uso de catalizadores de vanadio
soportados. (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
Posteriormente se pasa a la segunda etapa, en donde se lleva a cabo la reacción de
oxidación, esta etapa puede variar según la tecnología de producción que use cada
empresa, pero en general se lleva a cabo en un reactor especializado
independientemente de si se trata de un lecho fijo o de lecho fluido. El elevado calor de
reacción debe ser removido ya sea por las bobinas internas como en un lecho fluido o
por medio de circulación de sal fundida. (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
Se necesita un control cuidadoso para evitar que las composiciones de oxígeno de los
hidrocarburos sobrepasen los límites de combustión.
Preparacion de la
alimentaciòn
Reaccion de Oxidaciòn
Separaciòn y Recuperaciòn
del AM
Purificaciòn del AM
Química Verde
47
Para la etapa de separación y recuperación de AM, se elimina más calor de gas de
escape de la reacción y luego una solución acuosa o sistema de disolventes se emplean
para obtener una corriente de AM bruto o crudo. (USA Patente nº 3,939,183, 1976)
La etapa de purificación de AM, usualmente se lleva a cabo mediante una destilación.
Esta configuración básica, puede tener o no, una etapa de recuperación de energía la
cual es un factor clave en la producción económica del AM. Del reactor de recuperación
de gases residuales de anhídrido, no condensables del sistema de vacío, gases de
ventilación del tanque, y líquidos residuales de hidrocarburos, son todos incinerados para
recuperar energía en forma de vapor sobrecalentado. Este vapor se puede usar para
suministrar energía a las unidades integradas. (USA Patente nº 3,939,183, 1976)
II.4.1 Rutas de reacción para la obtención de AM.
El AM se puede producir ya sea por oxidación selectiva de n-butano o por la oxidación
selectiva de benceno.
A continuación, se describen las dos rutas de reacción.
a) Ruta de reacción vía benceno.
La oxidación selectiva de benceno es el proceso más antiguo para la producción de AM,
industrialmente utilizado desde 1933. La reacción se lleva a cabo en la fase gas, a 400-
450 ° C, en un reactor tubular. Para tener una eliminación eficaz del calor de reacción, el
catalizador (óxido mixto de Mo/V) es dispuesto en un material inerte y de alto apoyo
conductor, la conversión del benceno es casi total (aproximadamente 96%), la
selectividad del AM puede ser tan alta como el 73%. (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
Figura 2. 3 Reacción principal de la oxidación selectiva de benceno para producir Anhídrido Maleico
Anhídrido Maleico.
48
Aunque la cantidad de benceno sin reaccionar es baja, debe ser, ya sea adsorbido y
reciclado, o quemado. Las emisiones de benceno en la atmósfera no puede ser
superiores a 5μg / m3 debido a las regulaciones ambientales. (USA Patente nº 4,941,895,
1990)
La figura 2.2 muestra el diagrama de flujo simplificado de un proceso utilizando benceno
como materia prima. Se muestra un proceso de Polynt, la tecnología permite el
funcionamiento de hasta 210 g / h / tubo (2% de concentración en moles) de benceno.
Los gases de reacción son enfriados por medio de refrigeradores de gas, el AM crudo se
recupera parcialmente por condensación y en parte como una solución de ácido maleico
en un lavador de agua, los gases de escape que salen de la torre de lavado se envían a
un incinerador catalítico. El AM puro se obtiene en una columna de destilación operada
por lotes. (Marìn, Hamel, & Ordoñez, 2010)
Figura 2. 4 Proceso para la producción de AM a partir de benceno Fuente: www.polynt.com
Química Verde
49
a) Ruta de reacción vía n-butano.
Desde 1974, el n-butano se utiliza con éxito como alimentación para la producción de
AM; la reacción se realiza a 400 ° C en la fase de gas; el catalizador es un oxido mixto
de Vanadio y Fosforo, que generalmente se utiliza en forma se utiliza en fase a granel.
(Asghar, Taufiq-Yap, & Rezae, 2010)
Dependiendo de las tecnologías empleadas (fijo y de lecho fluidizado), la conversión del
n-butano varía desde 65% hasta el 80% y la selectividad del AM está en un rango del
86%. Para esta ruta las reacciones principales son las siguientes. (Turton & Shaeiwitz,
2003).
El uso de n-butano en lugar de benceno conduce a muchas ventajas:
1. El costo del alcano es menor, en comparación con el aromático: el n-butano está
presente en el gas natural y también se produce por craqueo. (Lawson, 1978)
2. Una mayor seguridad y menor impacto ambiental: está comprobado que el benceno
es un compuesto cancerígeno; (Patience & Bockrath, 2010)
3. Mejor economía del átomo: en la oxidación de benceno dos de los seis átomos de C
son transformado en CO2; (USA Patente nº 4,352,755, 1982)
4. Los costos más bajos de la separación y purificación del AM; a partir del benceno
algunos compuestos pesados son producidos durante la separación (tales como
benzofenona y quinona). (Lawson, 1978)
Figura 2. 5 Reacción principal de la oxidación selectiva de n-butano para producir Anhídrido Maleico
Anhídrido Maleico.
50
Hoy en día, aproximadamente el 80% de AM se produce a partir de n-butano, el restante
20% se produce a partir de benceno; sin embargo, vale la pena señalar que, en los
últimos años, debido a una disminución de la diferencia de precios entre los productos
químicos derivados de petróleo y los de gas natural y de una mayor conciencia de los
problemas del medio ambiente, algunas empresas están considerando retirar por
completo el uso de benceno. (Shekari, Tesis Doctoral , 2011)
En la actualidad, la oxidación selectiva de n-butano es el único ejemplo exitoso del uso
de un alcano como reactivo para la síntesis de un producto químico a granel. Los
descubrimientos de un catalizador activo y selectivo, el pirofosfato de vanadio, ha hecho
posible el desarrollo de esta tecnología. (Bond, 1987)
Sin embargo, a pesar del buen rendimiento catalítico, los resultados del n-butano son
más bajos que los obtenido a partir de benceno. (Fernàndez, Vega, & Dìez, 2010)
El AM se produce a partir de n-butano por diferentes tecnologías: (i) de lecho fijo
(Scientific Diseño, Huntsman, BASF, Pantochim) o (ii) de lecho fluidizado (Polynt, BP,
Mitsubishi); la tecnología de lecho transportado desarrollado por DuPont ha sido
recientemente abandonado. (Cavani, De Santi, & Luciani, 2010)
La Tabla 2.3 resume las posibles tecnologías de proceso, que se distinguen por tipo de
reactor, método de recuperación de AM crudo, composición de la fase gas (de 1,8% de
n-butano en el aire en el caso de lecho fijo, a 5% en el lecho fluidizado).
Tabla 2. 3 Tecnologías Industriales para la producción de AM, a partir de n-butano.
Proceso Tipo de reactor Método de recuperación.
ALMA Lecho fluidizado Anhidro
Mitsubishi Lecho fluidizado Acuoso
Sohio-UCB Lecho fluidizado Acuoso
Monsanto Lecho fijo Anhidro
Scientific Design Lecho fijo Acuoso
Dupont CFBR Acuoso Fuente: Phair, J. W. (2006). Green Chemistry for Sustainable Cement production and use. Green Chemistry, 9, 763-780.
Química Verde
51
II.4.2 Tecnologías Comerciales para la Producción de Anhídrido Maleico.
Las tecnologías para la producción de AM, han sido usadas por más de 60 años.
Desde la última década, hasta hoy en día se han estado trabajando y desarrollando
tecnologías que contribuyan a obtener un proceso sustentable de AM, como, por ejemplo:
el diseño de catalizadores con una vida útil más larga y la mejora en su proceso de
activación, cuyo trabajo incremente el rendimiento y la selectividad hacia el producto
principal, en este caso el AM, la disminución en el uso de solventes, y la mejor selección
de la materia prima. (Centi & Perathoner, 2003)
Algunas de las tecnologías más conocidas y usadas por las distintas industrias
productoras de AM, son las descritas a continuación. (Wiley J. , 2007)
a) Tecnología de Lecho Fijo.
La reacción se lleva a cabo en un reactor tubular; el catalizador se carga en pellets. La
concentración de n-butano en la alimentación tiene que ser de menos de 1,85% en moles
(el límite inferior de explosión). La mezcla de gas se recupera del reactor en dos
diferentes caminos: (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
a) La absorción en agua: el AM reacciona con el agua para formar el ácido maleico, que
es deshidratado a temperatura por debajo de 130 ° C, para minimizar la isomerización a
ácido fumárico. Finalmente, el AM bruto se purifica por destilación a vacío. (USA Patente
nº 4,855,459, 1989)
b) La absorción de en un disolvente orgánico (es decir, o-xileno): de tal manera alrededor
del 98% de producido se recupera, sin ninguna formación de ácido fumárico. (USA
Patente nº 4,855,459, 1989)
En la figura 2.6 muestra el diagrama de proceso de la compañía Denka‐Scientific Design,
el proceso trabaja con 1,7% de n-butano a 390 a 400 ° C.
La conversión de n-butano es de aproximadamente 83%, con un rendimiento de 54% de
AM. (Turton & Shaeiwitz, 2003)
Anhídrido Maleico.
52
.
b) Tecnología de lecho fluidizado.
Las ventajas más importantes de la utilización de la tecnología de lecho fluidizado son:
1. No hay demasiada variación de temperatura y no hay problemas de eliminación de
calor, debido a un perfil térmico uniforme, garantizados por una disipación óptima de la
reacción calor. (Patience & Bockrath, 2010)
2. Alta productividad, debido a la posibilidad de funcionar a alta concentración de n-
butano a la entrada (dentro de los límites de explosión). (Marìn, Hamel, & Ordoñez, 2010)
Algunos inconvenientes son:
• Alimentación tipo retro mezcla, responsable de una disminución de la selectividad de
del AM. (Marìn, Hamel, & Ordoñez, 2010)
• Alta tensión mecánica sobre el catalizador, y los fenómenos de abrasión.
Figura 2. 6 Diagrama de Flujo de la compañía Denka‐Scientific Design, muestra un proceso en lecho fijo. Fuente: F. Cavani, A. Colombo, F. Giuntoli, F. Trifirò, Vázquez, P. Venturoli,“Advanced Catalysis and Nanostructured Materials”, W.R. Moser (Ed.), Academic Press, (1996), page 43
Química Verde
53
Para limitar la abrasión en las partículas del catalizador a granel, diferentes técnicas
pueden ser empleadas: (Marìn, Hamel, & Ordoñez, 2010)
• La impregnación de los componentes activos en un soporte inerte caracterizado
por sus buenas propiedades de fluidización y alta resistencia al desgaste;
• Adición de aditivos al precursor, para mejorar la resistencia mecánica
• Encapsulación de la fase activa en una estructura de sílice.
Una de las más avanzadas tecnologías es la de lecho fluidizado de ALMA (Proceso de
Lummus Crest -Alusuisse Italia). El catalizador de VPO tiene mayor secado por
aspersión, debido a la baja cantidad de aditivos, para mejorar la resistencia mecánica. La
concentración de n-butano en la alimentación es de aproximadamente 4% en moles; la
conversión es típicamente 80 a 85%, con un rendimiento molar de AM de más de 50%.
(UAZ, 2009)
Figura 2. 7 Diagrama de flujo del proceso ALMA, utilizando la tecnología de lecho fluidizado Fuente: Advanced Catalysis and Nanostructured Materials”, W.R. Moser (Ed.),
Figura 2. 7 Diagrama de flujo del proceso ALMA, utilizando la tecnología de lecho fluidizado. Fuente: Advanced Catalysis and Nanostructured Materials”, W.R. Moser (Ed.),
Anhídrido Maleico.
54
La Figura 2.7. Muestra el esquema del proceso de ALMA: n-butano y aire son alimentados
a un reactor de lecho fluidizado, catalítico para producir AM. Los serpentines de
enfriamiento se fusionan en la cama para generar vapor de alta presión. En la sección de
recuperación, un disolvente orgánico es utilizado para eliminar el agente de
administración del gas efluente de la reacción; se utiliza un esquema convencional de
separación basado en el método de absorción.
El AM crudo es refinado por la continua destilación para separar las impurezas pesadas,
los gases de residuo se envían a un incinerador. (Patience & Bockrath, 2010)
c) Tecnología de Lecho Fluidizado Transportado.
El lecho fluidizado transportado fue desarrollado por Monsanto y Du-Pont; era trabajando
desde 1996 a 2004, para la producción de tetrahidrofurano (THF). En 2005, la planta fue
cerrada. (USA Patente nº 4,352,755, 1982)
Figura 2.8 Describe el diagrama de flujo del proceso de Du-Pont.
Figura 2. 8 Diagrama de flujo del proceso de Dupont para la producción de THF. Fuente: Meyers, Handbook of chemicals production processes, McGraw‐Hill
Química Verde
55
En el reactor elevador solamente se alimenta n-butano (finalmente diluido con un gas
inerte); el n-butano se transforma a AM por medio de un catalizador, que libera oxígeno
y reduce; la corriente de salida contiene tanto el catalizador reducido y la mezcla de n-
butano, CO2 y AM. El catalizador se recupera mediante un ciclón y se transporta al reactor
regenerador; en este reactor se alimenta sólo el aire, para restaurar el estado de
oxidación del catalizador. (USA Patente nº 4,352,755, 1982)
El AM se recupera por medio del uso de agua; después de la hidrólisis, se obtiene AM
acuoso y ácido maleico, se reducen a tetrahidrofurano en un reactor de hidrogenación.
La peculiaridad de este proceso es que funciona en la ausencia completa de oxígeno en
la alimentación; el oxígeno utilizado para la reacción es el oxígeno del catalizador. (USA
Patente nº 3,054,806, 1962)
La ausencia de oxígeno en la alimentación permite evitar la formación de mezclas
inflamables y trabajar a muy alta concentración de n-butano (de 1 a 50% en peso). La
conversión de n-butano es de aproximadamente 50% y el rendimiento de AM es
normalmente alrededor del 37%. (USA Patente nº 3,054,806, 1962)
El uso de la energía del proceso para la síntesis de AM por la oxidación de n-butano se
muestra en la figura 2.9, para el lecho fluidizado y el proceso de lecho fijo, también
incluyendo la energía de materia prima consumida por el proceso (es decir, la diferencia
entre los valores de calentamiento del producto y la materia prima), y una óptima red de
intercambio de calor construido utilizando el análisis pinch. (USA Patente nº 4,855,459,
1989)
El lecho fluidizado consume más materia prima, debido a la menor selectividad para
obtener AM debido a los fenómenos de mezcla dentro del reactor, que favorece la
combustión consecutiva de AM. Sin embargo, debido a las más eficientes tecnologías de
recuperación de calor (que también permite la producción de vapor a alta presión, el
consumo de energía es menor. (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
En, la tecnología global de lecho fluidizado todavía se consume menos energía que el
lecho fijo; Por otra parte, el funcionamiento dentro de la zona inflamable, con condiciones
Anhídrido Maleico.
56
de n-butano (hasta 5% molar en la alimentación) es posible. Esto también contribuye a
una selectividad ligeramente inferior a AM. (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
Por otro lado, se mejora la productividad y reduce el costo de tratamiento post-reactor,
debido a las corrientes más concentradas.
II.4.3 Sistema Catalítico
El catalizador solamente es industrialmente utilizado para la oxidación selectiva de n-
butano a anhídrido maleico, es un óxido mixto de vanadio / fósforo, con una estructura
cristalina particular. (James H & Elings, 2000)
El estado de oxidación de vanadio depende de las condiciones de reacción, así como la
composición de la fase gas. Ha sido bien confirmado que el pirofosfato de Vanadio -
((VO)2P2O7 (V4+) es el principal catalizador en fase activa durante la oxidación de n-
butano a anhídrido maleico. (Cedeño & Pichardo, 2013)
Figura 2. 9 La comparación del consumo de energía entre las alternativas de reactor para la oxidación de n-butano a AM. HEN = optima red de color. Fuente: BRIDGES to Sustainability, “A Pilot Study of Energy Performance Levels for the U.S. Chemical Industry”, report to the U.S. Department of Energy, June 2001. Available at http://www.bridgestos.org/Publications.htm
Química Verde
57
Diferentes métodos de preparación (orgánico o inorgánico) se describen en la literatura;
sin embargo, la fase activa final se obtiene por algunos pasos similares:
1. Síntesis del precursor de vanadio pirofosfato: VO HPO4 ∙ 0.5H2O; (Claude, 2000)
2. Descomposición térmica de hemihidrato de ácido ortofosfato de vanadio, con pérdida
total o parcial del agua de cristalización: (Claude, 2000)
3. Formación del catalizador para llegar a la morfología adecuada y la necesaria
resistencia mecánica en función del tipo de reactor. (Curia, 2010)
4. Activación del catalizador para obtener rendimientos catalíticos estables. Durante este
paso, diferentes transformaciones tienen lugar, en particular la re cristalización, y la
creación o eliminación de defectos estructurales. (Curia, 2010)
Los primeros soportes estudiados para VPO fueron los óxidos "clásicos" tales como el
SiO2, TiO2, y Al2O3; Recientemente, se han investigado nuevos tipos de materiales (tal
como SiC). (USA Patente nº 5932746, 1999)
Anhídrido Maleico.
58
CAPÍTULO III.
CONDICIONES DE OPERACIÓN Y SIMULACIÓN DEL PROCESO INDUSTRIAL DE
ANHIDRIDO MALEICO.
En este capítulo se describirán más a detalle las dos rutas de reacción más usadas en la
industria para la producción de Anhídrido Maleico.
Los datos de operación mostrados han sido extraídos del análisis de varios procesos
industriales de diferentes Compañías en las que ha sido posible considerar un rango de
valores para las condiciones de operación que serán usadas en el desarrollo de la
simulación.
Se describirán las condiciones de operación para la ruta vía benceno y la ruta vía n-
butano, con la finalidad de realizar el análisis que determine la ruta de reacción con mejor
condición de sustentabilidad, aplicando los principios de la química verde
III.1 Condiciones de Operación de acuerdo a la ruta de producción vía Benceno.
Como ya se ha hecho mención, la primera reacción utilizada para la obtención de
Anhídrido Maleico, fue la oxidación parcial del benceno. Siendo el principal medio de
producción antes del desarrollo de nuevas tecnologías para este proceso.
Es una reacción de oxidación parcial en fase de vapor utilizando un catalizador de lecho
fijo de vanadio y de óxidos finos de molibdeno. (United States Patente nº 3,054,806, 1962)
La mayor parte de las plantas industriales que tenían, y las pocas que aún tienen
implementada esta ruta de reacción, en su mayoría tienen instalados reactores multi-
tubulares, los cuales son enfriados por circulación de una mezcla fundida de sales de
KNO3-NaNO2- NaNO3, esto con la finalidad de acelerar aún más el proceso, debido a la
gran cantidad de gases contaminantes que llega a disipar el benceno al medio ambiente.
(USA Patente nº 4,352,755, 1982)
Química Verde
59
Para esta ruta de reacción, las concentraciones de benceno utilizados son de
aproximadamente 1.5% en moles, o justo por debajo del límite inferior de flamabilidad de
benceno en el aire (% volumen en el aire de 1.3-7.9%). (United States Patente nº
3,054,806, 1962)
El reactor normalmente opera a conversiones del 80% y los rendimientos molares pueden
llegar a estar entre el 70% y 90%, con temperaturas del reactor típicas en el intervalo de
450-600 ° C. (United States Patente nº 3,054,806, 1962)
El catalizador utilizado para la conversión de benceno a AM consta de óxido de vanadio
soportado.
El soporte es un óxido inerte como son las tierras de diatomeas, alúmina, o sílice y es de
una baja área superficial, dicho soporte en algún punto de la reacción puede llegar a
envenenarse causando cambios en las condiciones de operación y por lo tanto afecta al
producto final. Por tal motivo esta alternativa de reacción suele tener mayor gasto
energético, dicha energía ayuda a evitar la desactivación o envenenamiento del
catalizador durante el proceso. (USA Patente nº 4,855,459, 1989)
La conversión de benceno a AM es una oxidación menos compleja que la conversión de
n-butano, sin embargo, la reacción de oxidación parcial del benceno, suele producir un
mayor número de subproductos altamente contaminantes a comparación con la reacción
del n-butano. (USA Patente nº 4,941,895, 1990)
Todos los procesos de recuperación y refinación de AM deben lidiar con la separación
eficiente entre el Anhídrido Maleico, subproductos y la gran cantidad de agua producida
en el proceso de reacción.
La separación se basa en dos sistemas, estos a menudo son un sistema no acuoso y
otro acuoso. (USA Patente nº 3,939,183, 1976)
El primero de ellos consiste en un sistema de absorción. Estos son sistemas basados en
disolventes, los cuales tienen una mayor recuperación de AM y son más eficientes
energéticamente que los sistemas a base de agua. (USA Patente nº 3,939,183, 1976)
Anhídrido Maleico.
60
Analizando los procesos descritos anteriormente, podemos determinar y resumir los
rangos de las condiciones de operación para esta ruta de reacción.
Tabla 3. 1 Condiciones de Operación para el proceso de AM, a partir de la oxidación del benceno
Variable Condición
Relación Mol aire/benceno 1.5/3.5
Temperatura 450ºC-600ºC
Por ciento en volumen de benceno 1-1.5%
Por ciento en volumen de oxigeno 98-99%
Presión 35-40PSIA
Rendimiento Molar Mayor al 70%
Conversión del benceno 80%-90%
Costo del benceno 1.25 USD/Kg Fuente: Inc., S. D. (1962). United States Patente nº 3,054,806; Raymond, H., & Middlesbrough, G. (5 de Octubre de 1982). USA Patente nº 4,352,755; 63. Praxair, T. I. (2004). Hoja de Datos de Seguridad del Butano. USA.
III.2 Condiciones de Operación de acuerdo a la ruta de producción vía n-Butano.
Desde luego, la producción de AM mediante la oxidación de n-butano es hoy en día un
procedimiento muy conocido y practicado comercialmente. Principalmente, el AM se
produce poniendo n-butano mezclado con aire, bajo condiciones tales que el n-butano se
oxida a AM.
Para obtener la oxidación de n-butano a AM, el catalizador utilizado, nuevamente es una
oxido de vanadio (VPO) cuyo soporte ayuda a evitar el envenenamiento del catalizador,
lo que provoca que tenga una mayor vida útil, dichos soportes son principalmente
metálicos. (Asghar, Taufiq-Yap, & Rezae, 2010)
A continuación, se describe el proceso de reacción vía n-batano, para la obtención de
AM, para esta ruta se consideraron procesos estándar, en donde la bibliografía considera
datos de condiciones de operación generales para casi todas las plantas productoras de
AM.
Química Verde
61
Actualmente el proceso vía n-butano es el más usado por la mayoría de los productores
de AM, teniendo ventajas económicas y ambientales en comparación a la vía benceno.
Sin embargo, aún se sigue en la investigación para darle mejoras a esta alternativa de
proceso, un ejemplo de ello sería elevar la conversión de butano /AM.
El siguiente diagrama de bloques, describe el proceso sistemático para la obtención de
Anhídrido Maleico a partir de n-butano. (USA Patente nº 5932746, 1999)
Con referencia al diagrama de bloques el reactor es, un reactor convencional de lecho
fijo multitubular cargado previamente con un catalizador de VPO adecuado para la
oxidación de n-butano a AM.
Una mezcla gaseosa que comprende, de n-butano y oxígeno molecular tratado para
poder suministrarse en el reactor 1, la mezcla de n-butano/oxigeno se distribuye en los
tubos del reactor situados allí dentro. Estos tubos están rodeados por un medio circulante
de disipación de calor, tal como una sal licuada. (La sal ayuda a controlar y evitar la
pérdida de calor de la reacción lo que provoca una alta disipación de energía dentro del
reactor). (USA Patente nº 5932746, 1999)
Figura 3. 1 Diagrama de flujo del proceso de obtención de AM, a partir de la oxidación de n-butano, basado en el diseño de un tren de reactores. Fuente: Inc., S. D. (1962). United States Patente nº 3,054,806.
Anhídrido Maleico.
62
Al pasar a través del primer reactor, el n-butano se hace reaccionar con el oxígeno bajo
condiciones adecuadas para producir AM. (Ver Tabla 3.2).
La mezcla de reacción sale del reactor 1 y pasa al primer lavador. El agua de lavado se
introduce en el lavador, y el AM se lava eficazmente en el lavador a partir de la mezcla
de gases de reacción procedente del reactor 1. (USA Patente nº 5932746, 1999)
Una corriente acuosa que contiene el AM lavado, ahora en forma de ácido maleico, sale
y pasa a la purificación o refinación la cual se puede llevar en una torre de absorción o
bien en una torre de destilación en el que se recupera el AM. (USA Patente nº 5932746,
1999).
Como una característica importante las industrias productoras por lo general tienen un
diseño tipo tren, por lo que los gases lavados procedentes del primer lavador salen y
pasan a un segundo reactor, que puede ser similar al primer reactor y que en efecto
preferiblemente contiene el mismo catalizador de VPO que contiene el primer reactor.
Para el segundo reactor se añade n-butano suplementario a los gases de salida
procedentes del lavador, y esta combinación de gases se introduce como alimentación al
segundo reactor y allí dentro reacciona bajo condiciones que sean eficaces para la
oxidación de n-butano a AM. (USA Patente nº 5932746, 1999)
Los gases de reacción procedentes del segundo reactor pasan al segundo lavador en
donde se repite la operación de lavado del AM y los gases para su posterior purificación.
Una opción del proceso es que ambas salidas de los trenes de lavado pueden ser
interconectadas para que pase todo el AM producido al tren de separación para obtener
el Anhídrido puro.
Los gases procedentes de los lavadores que comprenden una pequeña cantidad de n-
butano sin reaccionar, se puede incinerar, junto con oxígeno sin reaccionar en una menor
cantidad, nitrógeno, y diversos óxidos de carbono procedentes de la separación en la
torre de destilación o absorción. (USA Patente nº 5932746, 1999)
Una importante ventaja de la práctica de este modo de proceso, cuando se compara con
procedimientos convencionales de un reactor único es que, en los reactores en serie para
Química Verde
63
la misma producción de anhídrido maleico el caudal de alimentación de aire y la carga de
gases de purga se reducen considerablemente.
El consumo global de n-butano se reduce sustancialmente, y los costes de operación de
un incinerador de gases de purga asociado con el procedimiento se reducen a casi la
mitad. (Dentea, Pieruccia, & Tronconia, 2003)
El consumo de n-butano se reduce ampliamente porque, el n-butano contenido en los
gases que salen del primer reactor se alimenta al segundo reactor, en lugar de ser
quemado o incinerado. (Claude, 2000)
Las ventajas de este procedimiento se contrarrestan por una selectividad en cierto modo
más baja en el reactor de la segunda etapa, debido a una composición de los gases de
entrada menos favorable.
Tabla 3. 2 Condiciones de Operación para el proceso de AM, a partir de la oxidación del n-butano
Variable Condición
Relación Mol aire/n-butano 1.0/2.5
Temperatura 300ºC-400ºC
Por ciento en volumen de n- butano 0.5-3%
Por ciento en volumen de oxigeno 95-97%
Presión 20-40 PSIA
Tiempo de residencia 4 s
Caudal 50g de n-butano-250 g de catalizador
Costo de n-Butano 0.5 USD/Kg Fuente: Norman, H., & Thorn, L. (1999). USA Patente nº 5932746. ; Ceise, S., & Conrad, J. F. (17 de Julio de 1990).
USA Patente nº 4,941,895;
III.3 Recomendaciones para la operación del proceso.
1. Temperatura: Un factor que influye en la tasa de oxidación del catalizador es la
temperatura del reactor; a temperaturas más altas está comprobado que mejora
la tasa de oxidación y re-oxidación y por lo tanto aumenta la capacidad de
almacenamiento de oxígeno dentro del catalizador, a una temperatura de
Anhídrido Maleico.
64
aproximadamente 580ºC el catalizador no completa su oxidación, se necesitaba
una temperatura de al menos 620 ° C para llegar a la oxidación completa del
catalizador, sin embargo las temperaturas más altas aumentan la tasa de re-
oxidación, lo cual ocasionaría la sintetización de la superficie del catalizador y la
pérdida de fósforo en la superficie.
De acuerdo a esto se recomiendan temperaturas de (350-450°C), con el fin de
evitar la descomposición prematura del catalizador y del no llegar al punto de
inflamabilidad del hidrocarburo. (Luciania, Cavania, & Dal Santo, 2011)
2. Presión: Las presiones de funcionamiento normales de los reactores industriales
están en el orden de 2-4 bar. A presiones superiores en el reactor se cree que
afectaría a las presiones parciales de las especies reactivas y las correspondientes
tasas de oxidación, alterando la estabilidad del catalizador y por consecuencia el
rendimiento del n-butano para obtener AM. La presión de los gases debe ser suficientemente alta para vencer la pérdida de
carga a través del reactor. (Shekari & Patience, 2010)
3. Concentración de la Materia Prima. La alimentación de n-butano debe ser
suministrada al reactor en fase gaseosa, teniendo como composición del 1,0 a
2,5% mol, Aunque se pueden emplear concentraciones más altas, se puede llegar
a tener riesgos de explosión, excepto en reactores de lecho fluidizado donde se
pueden usar sin riesgo de explosión hasta concentraciones de 4 o 5% mol. Desde
luego, a concentraciones más bajas de n-butano, menores que el 1%, reducirán la
productividad y por eso, normalmente, no se emplean económicamente. (Carreño
M, 2013)
4. Rendimiento: Para llegar a un rendimiento óptimo, el cual sea aceptable para la
producción, se deben tomar en cuenta los parámetros descritos anteriormente, si
la reacción se lleva a cabo satisfactoriamente, el resultado será una conversión de
n-butano/AM máximo del 80%, dando un rendimiento de entre el 70% hasta un
90% dependiendo la tecnología del reactor a usar. (Carreño M, 2013)
Química Verde
65
5. Condiciones del catalizador. El catalizador debe ser suministrado previamente
dentro del catalizador, con la finalidad de ir tratándolo hasta adecuarlo a la
temperatura de reacción y así evitar la descomposición o envenenamiento del
mismo. El catalizador usado es un VPO el cual puede ser soportado por diferentes
óxidos, y actualmente compuestos metálicos a base de Niobio, Galio, Cerio,
Hierro, etc. La selección del soporte determinara la conversión a alcanzar y
predominara en la selectividad del producto principal. (Meurig, 2011)
III.4 Método de separación y purificación del Anhídrido Maleico.
Después de la oxidación del n-butano, el AM pasa por un sistema de separación y
purificación, para adecuarse a las condiciones solicitadas por el fabricante.
La separación puede llevarse por diferentes métodos o procesos como por ejemplo.
1. El proceso puede tener la adecuación de un primer separador del tipo acuoso, es
decir mediante una columna de absorción que arrastre el mayor porcentaje de
agua posible. (Centi & Perathoner, 2003)
2. Después de la primera columna de absorción se encuentra una torre de destilación
que es alimentada con el flujo de gases provenientes de la absorción (Centi &
Perathoner, 2003)
Este diseño de proceso suele ser el más común para la obtención de AM vía benceno,
es un diseño de separación efectivo, ya que la columna de absorción permite el drenado
de agua y ayuda a tener una destilación con menos etapas, sin embargo, es una
separación altamente contaminante: en primer lugar, es indispensable el uso de
solventes en la columna de absorción, y segundo, se consume un alto nivel energético
para lograr separar la primera etapa. (USA Patente nº 4,941,895, 1990)
Para el proceso vía n-butano, la separación puede llevarse solo en una columna de
destilación, sacrificando máximo el 30% de la pureza del producto. Muchas plantas
productoras de AM han optado por el diseño de un tren de separación que ayude a
obtener un producto con una pureza mayor, y ayudando a la recirculación de la materia
prima que no fue convertida. (USA Patente nº 3,054,806, 1962)
Anhídrido Maleico.
66
III.5 Simulación en PRO II del proceso de obtención de Anhídrido Maleico
Para poder llevar a cabo el análisis de los doce principios de la química verde, fue
necesario realizar la simulación del caso de estudio (Proceso de Anhídrido Maleico)
Los alcances del programa no logran satisfacer una simulación en un reactor de las
tecnologías explicadas en capítulos anteriores, sin embargo, se desarrolló la simulación
para ambas rutas de reacción mediante el planteamiento de las condiciones de operación
a partir de un reactor de conversión,
Dichas simulaciones nos servirán para dar un panorama sobre la importancia de
implementar, desarrollar y diseñar procesos más “verdes”.
III 5.1 Simulación del proceso vía Benceno.
Para la propuesta del proceso a partir del benceno se realizó el análisis de los datos de
operación utilizados por las industrias que manejan esta ruta de reacción, mediante estos
datos se estimó una base de calculo
La figura 3.2 muestra el diagrama de proceso de la propuesta de simulación de
AM/benceno.
La propuesta se basa en la simulación de un reactor de tipo conversión, derivado a que
el tipo de reactor que utiliza el catalizador es de tipo de lecho fijo o fluidizado, y el
simulador no cuenta con este, estimaremos que este ya ha sido cargado previamente
dentro del reactor.
Debido a que la reacción es altamente exotérmica, la materia prima debe ser suministrada
en fase gas o vapor, a una relación de alimentación generalmente alta, en la simulación
se usó alrededor de 7% volumen benceno/oxigeno.
Se colocó un intercambiador a la entrada del reactor para elevar poco a poco la
temperatura de la mezcla y evitar llegar al punto de flamabilidad del benceno a la entrada
del reactor, una vez entrada la mezcla se recibe en el reactor hasta llegar a una
temperatura de entre 500-600ºC para lograr la reacción de oxidación.
Química Verde
67
Debido a que el reactor de conversión no permite el enfriamiento del producto mediante
la circulación de sal fundida (una mezcla de sodio nitrito y nitrato de sodio), fue necesario
la instalación de un intercambiador de calor para bajar la temperatura de los productos
de la reacción, la temperatura baja alrededor de 70ºC en relación a la temperatura final
del reactor.
La conversión alcanzada es de 90% a 95%. Después de enfriar la mezcla, esta debe
pasar a la sección de separación y purificación, para lograr la separación en la propuesta
fue necesario usar un flash antes de la torre de destilación.
El objetivo de usar un flash en este proceso fue el de separar la mayor cantidad posible
de agua y anhídrido maleico, que son los dos componentes menos volátiles.
Por la alta conversión del benceno, la cantidad de este para ser recirculado es
considerada prácticamente nula, por el domo del flash sale el 70% de oxigeno respecto
a lo alimentado al reactor, es necesaria una separación extra en el domo del flash para
recircular oxigeno libre de CO2 , para esta prueba se produjeron aproximadamente 79 kg
mol/hr de dióxido carbono, mayor cantidad que el producto principal, aun cuando la materia
prima se convierte casi en su totalidad.
En el fondo del flash se obtiene el AM y una fracción de H2O, generalmente el anhídrido
maleico en el mercado se encuentra con una pureza del 90%, la separación del producto
principal, se lleva a cabo mediante esta especificación.
La tabla 3.3. y 3.4 Muestran las condiciones de operación alimentadas y los datos de
simulación obtenidos por cada corriente dentro del proceso.
La tabla 3.5 y 3.6 dan un panorama más detallado de las condiciones de operación del
reactor de conversión y del tren de separación para purificar el AM.
Anhídrido Maleico.
68
Figura 3.2 Propuesta de Simulación del Proceso de obtención de Anhídrido Maleico, a partir de n-butano.
Química Verde
69
Alimentación a Reactor Oxigeno Alimentación a Reactor Benceno Oxigeno/Benceno entrada Recator
Corriente S1 S2 S5 S3 S4 S7 S8 S6 S11
Descripción
Entrada Compresor
Salida Compresor
Entrada Mezclador
Entrada bomba Salida BombaEntrada a
intercambiador 1
Entrada a mezcladorMezcla entrada a intercambiador 2
Mezcla entrada a reactor
Fase Vapor Vapor Vapor Liquido Liquido Liquido Vapor Vapor Vapor
Temperatura °C 30.0000 116.8993 30.0248 30.0000 30.0248 30.0341 145.0000 122.3278 460.0000
Presión atm 14.6959 36.2594 34.0839 14.6959 36.7399 33.8007 33.8007 25.0000 25.0000
Entalpia MM KJ/h 1.2336 2.7515 2.7515 0.1636 0.1642 0.1642 2.0748 4.8263 13.2703
Peso Molecular 31.9990 31.9990 31.9990 78.1136 78.1136 78.1136 78.1136 35.1041 35.1041
Fracción mol (Vapor) 1.0000 1.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 1.0000 1.0000
Fracción mol (Liquido) 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 1.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Flujo total Kg mol/h 585.9000 585.9000 585.9000 42.3000 42.3000 42.3000 42.3000 628.2000 628.2000
Flujo por componente Kg mol/h
Oxigeno 585.9000 585.9000 585.9000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 585.9000 585.9000
CO2 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Benceno 0.0000 0.0000 0.0000 42.3000 42.3000 42.3000 42.3000 42.3000 42.3000
H2O 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Quinona 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Anhidrido Maleico 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Tabla 3.3 Datos de operación por corriente del proceso de obtención de AM a partir de Benceno.
Anhídrido Maleico.
70
Salida Reactor/Entrada Flash 1 Productos 1° Separación Productos 2° Separación Productos 3° Separación
Corriente S9 S10 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19
DescripciónSalida Reactor
Entrada a intercambiador
3
Entrada a 1° etapa de
separaciónDomo
Fondos Intercambiador
4
Salida intercambiador
4Domo
Fondos/ entrada Ultima
SeparacionDomo
Fondos (AM al 90%)
Fase Vapor Vapor Vapor Vapor Liquido Mezcla Vapor Liquido Liquido Liquido
Temperatura °C 600.0000 599.9985 215.0000 46.1362 46.3662 100.0000 180.0000 180.0000 112.7039 151.0000
Presión atm 30.0000 25.0000 25.0000 43.5113 43.5113 43.5113 59.2201 59.2201 59.2201 59.2201
Entalpia MM KJ/h 22.9058 22.9058 12.3605 3.0927 0.4645 1.2378 3.2015 1.1631 0.0916 1.3013
Peso Molecular 36.2640 36.2640 36.2640 33.4686 50.4673 5.4673 30.4609 78.3719 19.6968 96.8480
Fracción mol (Vapor) 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 0.0000 0.0005 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Fracción mol (Liquido) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.9995 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
Flujo total Kg mol/h 608.1070 608.1070 608.1070 508.1070 100.0000 100.0000 58.2430 41.7557 10.0000 31.7570
Flujo por componente Kg mol/h
Oxigeno 411.4125 411.4125 411.4125 411.3787 0.0338 0.0338 0.0338 0.0000 0.0000 0.0000
CO2 76.1400 76.1400 76.1400 75.9807 0.1593 0.1593 0.1586 0.0007 0.0007 0.0000
Benceno 2.1150 2.1150 2.1150 1.8123 0.3027 0.3027 0.2696 0.0331 0.0330 0.0000
H2O 78.2550 78.2550 78.2550 18.7466 59.5084 59.5084 49.0590 10.4494 0.7855 0.6639
Quinona 2.1150 2.1150 2.1150 0.0213 2.0937 2.0937 0.5937 1.5000 0.0343 1.4657
Anhidrido Maleico 38.0700 38.0700 38.0700 0.1679 37.9021 37.9021 8.1280 29.7740 0.1465 29.6275
Tabla 3.4 Datos de operación por corriente del proceso de obtención de AM a partir de Benceno.
Química Verde
71
Tabla 3.6 Condiciones de operación del tren de separación
Tabla 3.5 Condiciones de operación del reactor de Benceno
Tipo Isotermico
Calor MM KJ/Hr -63.1048
Calor de Reacción @25°C -67.6387
Alimentación S11
Vapor (Producto) S9
Temperatura °C 460.0000 600.0000
Presión PSIA 25.0000 30.0000
Benceno conversión 90%
Flujo convertido Kg-mol/hr 38.0700
Separador F1 F2 Torre 1
Alimentación S12 S15 S17
Productos Vapor S13 S16 S18
Liquido S14 S17 S19
Temperatura °C 46.1360 180.0000 110.0000
Presión PSI 43.5100 59.2200 7.0000
Fracción mol Vapor 0.8356 0.5824 0.2578
Fracción mol Liquido 0.1644 0.4176 0.7422
Calor M KJ/Hr -8.8032 3.1269 0.0000
Total de Calor M KJ/Hr 5.6763
Anhídrido Maleico.
72
III 5.2 Simulación del proceso vía n-Butano.
Como ya se mencionó en capítulos anteriores, la ruta de operación más usada
actualmente es vía n-butano, sin embargo muchas de las empresas que producen el
Anhídrido Maleico aún desconocen la aplicación eficiente de la química verde para la
ingeniería de procesos, aun cuando el n-butano sea más sustentable a comparación del
benceno, existen algunas características de operación que podrían ayudar que el proceso
seas más eficaz, tanto para el medio ambiente, así como para las ganancias económicas
de la industria.
Para la propuesta de simulación a partir de n-butano, de igual forma se realizó el análisis
de los datos de operación utilizados por las distintas industrias que manejan esta ruta de
reacción, se estimó la misma base de cálculo usada para la ruta vía benceno, esto con
la finalidad de valorar un análisis para ambas opciones.
La figura 3.3 muestra el diagrama de proceso de la propuesta de simulación de AM/n-
butano.
Esta propuesta también está basada en la simulación de un reactor de tipo conversión,
La materia prima es estequiometricamente selectiva para producción del producto
principal
La reacción es altamente exotérmica, aunque un poco menos que la de benceno, la
materia prima debe ser suministrada en fase gas o vapor, a una relación de alimentación
generalmente alta, en la simulación se usó alrededor de 7% volumen n-butano/oxigeno.
A la entrada del reactor se colocó un intercambiador para elevar poco a poco la
temperatura de la mezcla y evitar la flamabilidad del hidrocarburo, una vez entrada la
mezcla se recibe en el reactor hasta llegar a una temperatura de reacción de entre 350-
400ºC, temperaturas inferiores a comparación de la reacción de benceno.
A la salida del reactor fue necesario el uso de un intercambiador de calor para bajar la
temperatura de los productos de la reacción, la temperatura baja alrededor de 80 a 90ºC
en relación a la temperatura final del reactor.
Química Verde
73
La conversión máxima que puede alcanzar esta ruta de reacción es del 85%, para la esta
propuesta únicamente se estimó hasta un 80%
Para poder mandar la mezcla de productos a la sección de separación y purificación, en
la propuesta fue necesario usar un flash antes del separador.
En el domo del flash en fase vapor se obtuvo un 79% y 20% de oxígeno y n-butano
respecto a lo alimentado. Debido a la conversión de n-butano ofrece la posibilidad de
recircular la materia prima, los productos que salen en el fondo del flash son agua y AM
como componentes más ricos dentro de la mezcla que será la alimentación para el
shortcut o torre de destilación.
La cantidad de CO2 producida es literalmente mínima en relación a lo que se produce
mediante el benceno, la reacción principal usada en la simulación no presenta producción
de dióxido de carbono ni tampoco otra sustancia altamente toxica.
El AM se purifica en el separador hasta un grado del 90% siendo lo más encontrado
comercialmente, el rendimiento de la reacción fue del 73%.
La tabla 3.7. y 3.8 Muestran las condiciones de operación alimentadas y los datos de
simulación obtenidos por cada corriente dentro del proceso.
La tabla 3.9 y 3.10 dan un panorama más detallado de las condiciones de operación del
reactor de conversión y del tren de separación para purificar el AM a partir de la oxidación
de n-butano.
Anhídrido Maleico.
74
Figura 3.3 Propuesta de Simulación del Proceso de obtención de Anhídrido Maleico, a partir de n-Butano.
Química Verde
75
Alimentación a Reactor Oxigeno Alimentación a Reactor n-Butano Oxigeno/n-butano entrada Recator Salida Reactor/Entrad
Corriente S3 S4 S5 S1 S2 S6 S7 S8 S9
Descripción
Entrada Compresor
Salida Compresor
Entrada Mezclador
Entrada Compresor
Salida Compresor
Entrada a mezclador
Mezcla entrada /Valvula de presión
Mezcla entrada a reactor
Salida Reactor
Fase Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor
Temperatura °C 30.0000 63.7637 200.0000 30.0000 40.3800 200.0000 199.7075 199.5841 400.0000
Presión atm 14.6959 42.6959 42.6959 14.6959 42.6959 42.6959 49.6959 25.0000 35.0000
Entalpia MM KJ/h 0.9440 1.4955 3.7845 1.0227 1.0588 1.8583 5.6428 5.6428 17.4084
Peso Molecular 31.9988 31.9988 31.9988 58.1234 58.1234 58.1234 33.7579 33.7579 32.8726
Fracción mol (Vapor) 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
Fracción mol (Liquido) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Flujo total Kg mol/h 585.9000 585.9000 585.9000 42.3000 42.3000 42.3000 628.2000 628.2000 645.1200
Flujo por componente Kg mol/h
CO 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Oxigeno 585.9000 585.9000 585.9000 0.0000 0.0000 0.0000 585.9000 585.9000 467.4600
CO2 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Butano 0.0000 0.0000 0.0000 42.3000 42.3000 42.3000 42.3000 42.3000 8.4600
H2O 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 135.3600
Anhidrido Maleico 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 33.8400
Tabla 3.7 Datos de operación por corriente del proceso de obtención de AM a partir de n-Butano.
Anhídrido Maleico.
76
Tabla 3.8 Datos de operación por corriente del proceso de obtención de AM a partir de n-Butano.
Productos 1° Separación Productos 2° Separación Productos 3° Separación
Corriente S10 S11 S12 S13 S14 S15 S17 S18
Descripción
Entrada a intercambiador
3
Entrada a 1° etapa de
separaciónDomo Fondos Domo
Fondos/ entrada Ultima
SeparacionDomo
Fondos (AM al 90%)
Fase Vapor Mezcla Vapor Liquido Vapor Liquido Vapor Liquido
Temperatura °C 400.0000 100.0000 40.0000 40.0000 90.0000 90.0000 100.0000 100.0000
Presión atm 35.0000 25.0000 25.0000 25.0000 7.3399 7.3399 7.7058 7.7058
Entalpia MM KJ/h 17.4084 8.9179 0.8692 0.8807 5.8995 0.3936 0.1791 0.4070
Peso Molecular 32.8726 32.8726 32.4258 34.1189 20.6484 76.4627 28.4452 96.4731
Fracción mol (Vapor) 1.0000 0.9573 1.0000 0.0000 1.0000 0.0000 1.0000 0.0000
Fracción mol (Liquido) 0.0000 0.0427 0.0000 1.0000 0.0000 1.0000 0.0000 1.0000
Flujo total Kg mol/h 645.1200 645.1200 474.8873 170.2327 129.1479 41.0848 12.0880 29.0000
Flujo por componente Kg mol/h
CO 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Oxigeno 467.4600 467.4600 466.0000 1.4600 1.4599 0.0001 0.0001 0.0000
CO2 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
Butano 8.4600 8.4600 8.1202 0.3398 0.3390 0.0008 0.0007 0.0000
H2O 135.3600 135.3600 0.7501 134.6099 123.5254 11.0845 10.5121 0.5746
Anhidrido Maleico 33.8400 33.8400 0.0170 33.8230 3.8235 29.9994 1.5746 28.4254
Química Verde
77
Tabla 3.10 Condiciones de operación del tren de separación via n-Butano
Tipo Isotermico
Calor MM KJ/Hr -368129
Calor de Reacción @25°C -42.0766
Alimentación S8
Vapor (Producto) S9
Temperatura °C 199.5800 400.0000
Presión PSIA 25.0000 35.0000
Butano conversión 80%
Flujo convertido Kg-mol/hr 33.8400
Tabla 3.9 Condiciones de operación del reactor de n-Butano
Separador F1 F2 Torre1
Alimentación S11 S13 S15
Productos Vapor S12 S14 S17
Liquido S13 S15 S18
Temperatura °C 40.0000 90.0000 117.0000
Presión PSI 25.0000 7.3390 7.0000
Fracción mol Vapor 0.7361 0.7587 0.0042
Fracción mol Liquido 0.2639 0.2413 0.9958
Calor M KJ/Hr -7.1680 5.4124 0.0000
Total M KJ/Hr 1.76
Anhídrido Maleico.
78
La siguiente tabla muestra los resultados generales de ambas rutas de reacción
Benceno n-Butano Tipo Reactor Isotermico Tipo Reactor Isotermico Calor M KJ/Hr -63.1048 Calor M KJ/Hr -368129
Calor de Reacción @25°C -67.6387 Calor de Reacción @25°C -42.0766
Alimentación S11 Alimentación S8
Vapor (Producto) S9 Vapor (Producto) S9
Temperatura °C 460.00 600.00 Temperatura °C 199.58 400.00
Presión PSIA 25.00 30.00 Presión PSIA 25.00 35.00
Benceno conversión 90% n-Butano conversión 80% Flujo convertido Kg-mol/hr 38.07 Flujo convertido Kg-mol/hr 33.84
Calor total en el tren de separacion M KJ/Hr
5.67
Calor total en el tren de separacion M KJ/Hr
1.76 Calor total
intercambiadores de calor
M KJ/Hr 28.206
Calor total intercambiadores de
calor M KJ/Hr
10.872
Total producto obtenido Kg mol/h Agua 0.6639
Total producto obtenido Kg mol/h Agua 0.5746
Quinona 1.4657 Subproducto 0.0000
CO2 75.9807 AM 29.6275 AM 28.4254
Total producto obtenido Kg /h Agua 11.9596 Total producto obtenido Kg /h Agua 10.3630
Quinona 158.4417 Subproducto 0.0000
CO2 3343.8940 AM 2905.2180 AM 2787.3042
Total producto obtenido Ton/Año Agua 104.77 Total producto obtenido Ton/Año Agua 90.78
Quinona 1387.95 Subproducto 0.0000
CO2 29292.51 AM 25449.71 AM 24416.78
Tabla 3.11 Tabla comparativa de resultados generales para ambas rutas de reacción Benceno vs n-Butano.
Química Verde
79
CAPÍTULO IV.
ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS DOCE PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE,
RESPECTO AL PROCESO DE ANHIDRIDO MALEICO.
En este capítulo se realizará el análisis comparativo entre la ruta de reacción vía benceno
contra la ruta vía n-butano, el objetivo principal del análisis es conocer más
detalladamente en una aplicación como es que funciona cada principio para poder
categorizar a un proceso como “sustentable” o “verde”.
En los capítulos anteriores, en base a la bibliografía analizada se plantea que la oxidación
de n-butano para producir AM es una reacción más amigable con el medio ambiente que
si esto se compara con la oxidación de benceno, por lo tanto, el análisis de las reacciones
debe de dar la visualización de la aplicación de la química verde en la ingeniería de
procesos.
Para un mejor entendimiento en la indagación del tema, se concentrará la información de
ambas rutas de reacción haciendo un desglose de cada principio que constituye a la
química verde.
Principio 1.- Prevención
Proceso vía Benceno: Para esta reacción el tratamiento de la materia prima y
subproductos resulta seriamente complicado, debido a la química de la reacción, es
inevitable la formación de gases tóxicos los cuales por su difícil separación química alto
costo económico forzosamente van a un incinerador que los arroja al medio ambiente.
Proceso vía n-Butano: La estructura química de reacción es adecuada a un sistema
catalítico que ayuda a la mínima o nula generación de subproductos, por lo que no hay
necesidad instalar plantas de tratamiento para las sustancias no deseadas.
Anhídrido Maleico.
80
Principio 2.- Economía o eficiencia del átomo.
Proceso vía Benceno: Para el benceno se parte de una molécula de 6 átomos de carbono
(C6H6), para obtener una molécula de 4 átomos de carbono (AM, C4H2O3); por lo tanto,
el resto de los átomos no empleados se convierten en óxidos de carbono. De acuerdo a
la definición de economía del átomo la podemos definir como:
%EA= (Masa molecular del producto/masa molecular total de reactivos) *100
∴ 𝐸𝐸𝐴𝐴 =�102𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 ∗1𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘�
��32𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘∗92𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘�+��78𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘∗1𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘���
∗ 100 = 45.9%
La eficiencia del átomo para esta ruta de reacción es aproximadamente del 45.9%.
Proceso vía n-Butano: El proceso se lleva a cabo mediante una reacción catalítica de
VPO, el cual transforma al n-butano selectivamente, para producir en un solo paso
Anhídrido Maleico, sin la formación de óxidos de carbono.
La economía del átomo en esta ruta es la siguiente.
∴ 𝑬𝑬𝑨𝑨 =�102𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 ∗1𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘�
��32𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘∗72𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘�+��58𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘∗1𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘���
∗ 100 = 𝟔𝟔𝟔𝟔%
De acuerdo a los resultados, la ruta vía n-butano tiene una economía del átomo 50%
mayor que la del benceno.
Principio 3.- Síntesis química menos peligrosa
Proceso vía Benceno: El benceno como materia prima es altamente contaminante y
peligrosa para el medio ambiente y ser humano.
El benceno es un compuesto aromático inestable altamente toxico, el cual puede
ocasionarle la muerte al ser humano y contribuir en gran proporción al aumento de la
contaminación del ambiente. (Los gases que desprende el benceno durante la reacción
invariablemente se van a la atmosfera lo que puede ocasionar que reaccione con los
gases presentes en el aire, generando compuestos que causen degradación a la capa
de ozono, contaminación del suelo o agua. En esta reacción es muy común obtener CO2
Química Verde
81
y Quinona como subproductos, siendo esta última difícil de darle tratamiento de para su
separación y comercialización, por lo que la mayoría de las veces se opta por incinerarla.
Proceso vía n-Butano: El n-butano es un compuesto de la familia de los hidrocarburos
ligeros por lo que su estructura química lo hace ser un compuesto de carbón noble para
ser sintetizado, no es un gas altamente toxico, la única desventaja al igual que una
desventaja del benceno está en su punto de flamabilidad ya que si no se controlan las
temperaturas de reacción puede ocasionar su expansión dentro de los equipos hasta
provocar una explosión.
Debido a que la generación de CO2 es mínima, ayuda a que el n-butano que no reaccione
pueda ser recirculado hasta agotar la mayor parte.
Principio 4.- Diseño de compuestos químicos más seguros
En ambos casos el AM producido presenta las mismas propiedades, sin embargo la
diferencia se presenta en los subproductos generados por cada reacción, los cuales al
ser liberados a la atmosfera reaccionan con el aire, suelo y agua, formando compuestos
contaminantes con el ozono y los radicales hidroxilos producidos químicamente que se
encuentren en el aire y agua. Todo esto provoca un aumento de contaminación ambiental
que incluso puede ser perjudicable a la salud humana.
Principio 5.- Solventes y aditivos más seguros
Proceso vía Benceno: Para esta reacción el tratamiento de la materia prima y
subproductos resulta seriamente complicado, debido a la química de la reacción, es
inevitable la formación de gases tóxicos los cuales por su difícil separación química alto
costo económico forzosamente van a un incinerador que los arroja al medio ambiente. En
el proceso típico de benceno, se requiere una torre de absorción como primera unidad
de separación entre la fase gas de la fase liquida, para lograr esta primer separación se
requiere de un agente absorbente el cual es un solvente, generalmente (xileno o
tetracloruro), el xileno y tetracloruro son solventes peligrosos, por lo al ser usados para
la separación se debe considerar su recuperación dentro del proceso para evitar
desecharlo incorrectamente, posteriormente es necesario el uso de las torres de
destilación para poder lograr la separación de la quinona/AM.
Anhídrido Maleico.
82
Para fines prácticos en ambas rutas el tren de separación se realizó mediante unidades
flash y destiladores considerando algunas modificaciones dentro del proceso simulado.
Proceso vía n-Butano: En el proceso de n-butano no es necesaria una torre de absorción,
la propuesta del proceso es mediante un intercambiador para bajar la temperatura de la
mezcla antes de ingresarla a una torre de destilación, con el fin de separar O2 restante
del agua y del AM, bajar la temperatura ayudaría a sacar inmediatamente el oxígeno de
la mezcla que contiene el AM producido, H2O y el n-butano sin reaccionar, esto es para
poder recircular la materia prima hasta agotarla lo más posible, la destilación no requiere
de un solvente para ayudar a la separación. Esto también es consecuencia de la
selección adecuada del catalizador.
Esta ruta trata de llevar a cabo la operación de la torre de destilación mediante presiones
atmosféricas o un poco debajo de la atmosférica.
Principio 6.- Diseño para obtener eficiencia de energía
Proceso vía Benceno: La reacción de benceno se logra a partir de temperaturas muy
altas hasta los 600ºC, lo que resulta en la implementación de intercambiadores y
quemadores que logren alcanzar esas temperaturas, además de acondicionar a los
equipos para que resistan el calor generado por la reacción, el uso de incineradores
representa un consumo considerable de energía los cuales no son muy necesarios en el
proceso de n-butano.
La energía de reacción obtenida de acuerdo a la simulación para esta ruta es de 67.6387
M KJ/Hr.
Proceso vía n-Butano: La reacción de n- butano se lleva a cabo en máximo 450ºC
conservando temperaturas y presiones mayormente atmosféricas. Un punto que
menciona la química verde es el de llevar a cabo reacciones con la mayor parte en
condiciones atmosféricas. El calor generado por la reacción de n-butano esta 60% por
debajo que la del benceno.
Química Verde
83
Tomando la comparación de las temperaturas, el benceno esta 50% por arriba del valor
de temperatura usado en una reacción de n-butano. La energía de reacción obtenida de
acuerdo a la simulación para esta ruta es de 42.0766 M KJ/Hr.
Principio 7.- El uso de materia prima renovable
Proceso vía Benceno: El benceno usado por muchas industrias que producían AM, no
era un compuesto renovable, sin embargo su estructura química facilitaba la producción
de Anhídrido Maleico, la conversión del benceno es muy alta hasta 95% sin embargo el
anillo aromático del benceno disminuye la selectividad hacia el producto principal, a lo
más se obtiene el 80%, lo que ocasiona un alto contenido de subproductos.
Proceso vía n-Butano: La mayoría de las industrias que utilizan n-butano en su proceso
consideran la recirculación del mismo con el fin de consumir en su totalidad la materia
prima, este compuesto presenta una conversión 10% más baja que el benceno, sin
embargo la selectividad hacia el AM es mucho mejor, actualmente se está investigando
la producción de bio-butano a partir de biomasa, compuesto que serviría para sustituir al
n-butano obtenido mediante el petróleo.
Principio 8.- Reducción de etapas de separación y/o purificación.
Proceso vía Benceno: La reacción de benceno llega a tener más tres etapas de
separación antes de la separación del producto principal, lo que representa un mayor
gasto de energía, mayor cantidad de solventes y equipos de incineración para eliminar
los subproductos separados.
Para usos didácticos se consideró el mismo número de etapas dentro de las simulaciones
para ambas rutas.
Proceso vía n-Butano: La reacción de n-butano solo requiere a lo más dos separaciones
antes del producto principal para logar separar el aire y butano que serán recirculados.
Principio 9.- Catálisis
Proceso vía Benceno: Inicialmente el proceso se lleva a cabo mediante la reacción
únicamente estequiometria del benceno, tiempo después se consideró el uso de
catalizadores sin embargo el anillo aromático que presenta el compuesto impide que el
Anhídrido Maleico.
84
elemento activo del catalizador ocupe los sitios libres y se realice una mejor selectividad
del producto. Lo que resultaba lo mismo con o sin catalizador.
Proceso vía n-Butano: La estructura del butano es lineal y los sitios libres son más fácil
de ocupar por el catalizador.
La oxidación de n-butano es una reacción catalítica en donde el catalizador ayuda a la
selectividad del producto. Actualmente se siguen estudiando los soportes que ayuden a
que el catalizador tenga un mayor tiempo vida, y mejor activación en el proceso.
Principio 10.- El diseño para la subsecuente degradación.
Para ambas reacciones, las características físicas y químicas del AM son similares, la
propuesta seria llevar a la práctica una planta piloto mediante bio-butano, con el fin de
estudiar si existe un cambio en la estructura química del AM, que ayudara a tener una
degradación mucho más fácil después de cumplir con su ciclo de vida.
Las características de degradación del AM, se explican en el principio 4.
Principio 11.- Análisis en tiempo real para prevenir la contaminación
En ambos procesos puede ser instalado la instrumentación que ayude a crear lazos de
control que permitan el monitoreo de la reacción en curso, control de cantidad material,
control de temperatura y presión, incluso diseñar indicadores que manden una señal a
un cuarto de control en el momento que perciban la generación de gases o productos no
deseados.
.Principio 12.- Procesos químicos más seguros para prever accidentes
Desafortunadamente aún no se ha logrado sintetizar el AM mediante un compuesto que
no sea un hidrocarburo, tanto el benceno como el butano presenta un grado de
flamabilidad lo que conlleva el mayor riesgo del proceso, la reacción es altamente
exotérmica y hasta el momento la única opción es el control de temperaturas del proceso
para evitar la explosión en los equipos.
Química Verde
85
CONCLUSIÓN
A partir de los datos operación estudiados y seleccionados para ambas propuestas de
simulación, se obtuvieron resultados que determinan y que coinciden con el estudio de
investigación sobre la mejor ruta de reacción para la obtención de Anhídrido Maleico
aplicando el concepto de química verde, se basó en la aplicación de la mayoría de los
doce principios que definen el diseño de la ingeniería y química verde, con el fin de lograr
un proceso industrial mejor diseñado y operado que permita dar los mismos, e incluso
mejores resultados que el proceso convencional usado para la obtención del producto
principal. Con esto podemos decir que los objetivos propuestos al inicio del desarrollo de
este trabajo de tesis se cumplieron y los resultados se muestran en la tabla descrita a
continuación.
Esta tabla muestra la comparación de resultados obtenidos en ambas propuestas de
simulación, la etapa final de separación podemos observar que el benceno esta
aproximadamente 1000 Ton/Año arriba que el n-butano sin embargo la pureza en el
benceno indica que aún hay trazas de quinona en el producto final, por lo que se
Benceno n-Butano
Tipo Reactor Isotermico Tipo Reactor Isotermico
Calor M KJ/Año 552798.048 Calor M KJ/Año 322481.004
Calor de Reacción @25°C 592515.012 Calor de Reacción @25°C 368591.016
Alimentación S11 Alimentación S8
Vapor (Producto) S9 Vapor (Producto) S9
Temperatura °C 460.00 600.00 Temperatura °C 199.58 400.00
Presión PSIA 25.00 30.00 Presión PSIA 25.00 35.00
Benceno conversión 90% n-Butano conversió 80%
Flujo convertido Kg-mol/Año 333493.2 Flujo convertido Kg-mol/Año 296438.40
Calor total en el tren de separacion
M KJ/Año49669.2
Calor total en el tren de
separacionM KJ/Año
15417.6Calor total
intercambiadores de calor
M KJ/Año247084.56
Calor total intercambiadores
de calorM KJ/Año
95238.72Total producto
obtenidoTon/Año
Agua 104.77Total producto
obtenidoTon/Año
Agua 90.78
Quinona 1387.95 Subproducto 0.0000
CO2 29292.51 CO2
AM 25449.71 AM 24416.78
Anhídrido Maleico.
86
requeriría una etapa más para eliminar la quinona restante y obtener solo AM con un
mínimo porcentaje de agua.
A pesar de que la conversión del n-butano es menor (80%) en referencia a la del benceno
(90%) y esto por consiguiente reduce en un 4% el total de Ton/Año producidas mediante
n-butano los resultados son positivos ya que se mediante la ruta n-Butano se reduce en
un 14% la producción de Agua durante el proceso, la cual debe ser tratada o desechada
al suelo. Aunque en la simulación vía n-butano no se logra apreciar la producción de CO2,
esto debido a la baja cantidad formada podemos decir que, se logra reducir entre el 60
% al 80% de este compuesto a partir del uso de un hidrocarburo ligero y catalizadores,
además de que no se forma ningún otro subproducto.
Haciendo el análisis energético podemos encontrar que para el benceno necesitamos al
menos de tres a cuatro etapas de separación para logara liberar la mayor parte de
quinona en el anhídrido maleico, mientras que para la ruta vía n-butano es suficiente de
dos a máximo tres etapas, por lo que consecuentemente el resultado es la minimización
del uso de disolventes y aditivos.
El calor requerido para la reacción es 60% menos que la reacción vía benceno.
Por otro lado las propiedades obtenidas del producto principal no sufren ninguna
modificación por el cambio de materia prima relacionada con la aplicación de la catálisis.
El tema del catalizador es un factor importante para los resultados que se pretenden
alcanzar.
Sin duda el proceso a partir de benceno fue un gran auge para la obtención de Anhídrido
Maleico, sin embargo la composición química del benceno resulta en gran cantidad
perjudicable para nuestro planeta, por lo que la opción fue rediseñar el proceso a partir
del uso de un hidrocarburo ligero, en especial el n-butano, ya que por ser de cadena lineal
es un compuesto fácil de reaccionar catalíticamente, haciendo más selectivo el producto
principal, a partir de os nuevos cambios y legislaciones ambientales se ha generado la
Química Verde
87
necesidad de crear mejoras en las tecnologías de equipos de reacción usados, con el fin
de optimizar energéticamente y la administración correcta de la materia prima, que
permita la mayor cantidad producida del compuesto principal en la reacción,
considerando la mínima generación de residuos y subproductos que no sean
comercialmente factibles.
Otro factor importante que se considero fue la conversión ya que en el n-butano ayuda a
plantear una recirculación de la materia prima, con el fin de agotar lo más posible el
reactivo, sin llegar a la incineración del gas que en algún momento sea expedido a la
atmosfera.
Sin duda esta investigación puede ser el principio de futuros trabajos, por ejemplo:
• El diseño de reactores capaces de llevar a cabo la reacciones a condiciones de
temperatura y presión ambientales.
• El diseño de catalizadores capaces de llevar a cabo el 100% de selectividad para
el producto principal.
• Estudio sobre las redes de intercambio más óptimos para el ahorro de energía
• Llevar a cabo la producción del AM, mediante una planta piloto bajo las
condiciones propuestas en esta tesis.
El reverdecimiento debe darse primordialmente en la industria química, con el diseño de
procesos y de productos bajo la guía de los principios de Anastas y Warner, con el empleo
de productos químicos procedentes de las fuentes renovables, sin generación de
residuos peligrosos, para producir nuevos materiales eficientes e inocuos.
.
Anhídrido Maleico.
88
ANEXO 1. GLOSARIO
Abrasión: Acción de quitar o arrancar algo mediante fricción.
Absorción: Es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más
componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual
forma una solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan
a la líquida).
Ácido fumárico: Compuesto orgánico con estructura de ácido dicarboxílico que, en
nomenclatura IUPAC, corresponde al ácido (E)-butenodioico. Se utiliza en el procesado
y conservación de los alimentos por su potente acción antimicrobiana, y para fabricar
pinturas, barnices y resinas sintéticas.
Ácido tartárico: Es un ácido carboxílico. Su fórmula molecular es: HOOC-CHOH-CHOH-
COOH. Contiene, por tanto, dos grupos carboxílicos y dos grupos alcohol en una cadena
de hidrocarburo lineal de longitud cuatro. Este ácido, que se encuentra en muchas plantas
y se encuentra en la naturaleza en forma de tartrato ácido de potasio en el zumo de la
uva. Se utiliza a escala industrial, en la preparación de bebidas efervescentes como
gaseosas.
Aerosol: Mezcla heterogénea de partículas sólidas o líquidas suspendidas en un gas. El
término aerosol se refiere tanto a las partículas como al gas en el que las partículas están
suspendidas.
Agente dispersante: Es un aditivo que se utiliza para lograr que un soluto tenga
distribución y dispersión en un disolvente.
Agente quelante: También conocidos como antagonistas o secuestradores de metales
pesados, son sustancias que tienden a constituir sustancias complejas junto a iones
metálicos de metales pesados.
Agroquímicos: Son todas aquellas sustancias que se utilizan en la agricultura para el
mantenimiento y la conservación de los cultivos. Éstos pueden ser herbicidas, fertilizantes
o insecticidas entre los más conocidos.
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Anhídrido ftálico: Es un compuesto orgánico sólido e incoloro. Se utiliza especialmente
para la producción a gran escala de plastificantes. Se obtiene por oxidación catalítica del
orto-xileno y naftaleno.
Antropogénico: De origen humano o derivado de la actividad del hombre.
Atmósfera: Capa gaseosa que envuelve un astro; especialmente, la que rodea la Tierra.
Átomo: Es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o
sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Benceno: Es un líquido incoloro de aroma dulce y sabor ligeramente amargo, similar al
de la hiel. Se evapora al aire rápidamente y es poco soluble en agua. Es sumamente
inflamable y volátil. Algunas industrias usan el benceno como punto de partida para
manufacturar otros productos químicos usados en la fabricación de plásticos, resinas,
nilón y fibras sintéticas. También se usa benceno para hacer ciertos tipos de gomas,
lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos y pesticidas. Los volcanes e incendios
forestales constituyen fuentes naturales de benceno. El benceno es también un
componente natural del petróleo crudo, gasolina y humo de cigarrillo.
Biomasa: Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado,
utilizable como fuente de energía.
Calentamiento global: Es un término utilizado para referirse al fenómeno del aumento
de la temperatura media global, de la atmósfera terrestre y de los océanos en el planeta
Tierra.
Calor de reacción: Se define como la energía absorbida por un sistema cuando los
productos de una reacción se llevan a la misma temperatura de los reactantes. Para una
definición completa de los estados termodinámicos de los productos y de los reactantes,
también es necesario especificar la presión. Si se toma la misma presión para ambos, el
calor de reacción es igual al cambio de entalpía del sistema.
Carburante: Sustancia química, compuesta de hidrógeno y carbono, que, mezclada con
un gas, se emplea como combustible en los motores de explosión y de combustión
interna.
Anhídrido Maleico.
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Catalizador: Es una sustancia (compuesto o elemento) capaz de acelerar (catalizador
positivo) o retardar (catalizador negativo o inhibidor) una reacción química,
permaneciendo éste mismo inalterado (no se consume durante la reacción).
Cemento: Conglomerante hidráulico que, mezclado con agregados pétreos (árido grueso
o grava más árido fino o arena) y agua, crea una mezcla uniforme, manejable y plástica
capaz de fraguar y endurecer al reaccionar con el agua.
Ciencias ambientales: Son una disciplina científica cuyo principal objetivo es buscar y
conocer las relaciones que mantiene el ser humano consigo mismo y con la naturaleza.
Implica un área de estudio multidisciplinario que abarca distintos elementos como el
estudio de problemas ambientales y la propuesta de modelos para el desarrollo
sostenible.
Cloración: Tratamiento con cloro de las aguas para hacerlas potables o para mejorar
sus condiciones higiénicas.
Compuesto químico: Es una sustancia formada por la unión de 2 o más elementos de
la tabla periódica, en una razón fija.
Concentración: Es la magnitud química que expresa la cantidad de un elemento o un
compuesto por unidad de volumen. Cada sustancia tiene una solubilidad que es la
cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una disolución, y depende de
condiciones como la temperatura, presión, y otras sustancias disueltas o en suspensión.
Degradable: Que puede ser descompuesto bajo ciertas condiciones ambientales.
Desarrollo sustentable: Es un proceso integral que exige a los distintos actores de la
sociedad compromisos y responsabilidades en la aplicación del modelo económico,
político, ambiental y social, así como en los patrones de consumo que determinan la
calidad de vida.
Destilación: Es la operación de separar, comúnmente mediante calor, los diferentes
componentes líquidos de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición
(temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias a separar.
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Dióxido de carbono: Gas incoloro, inodoro e incombustible que se encuentra en baja
concentración en el aire que respiramos. El dióxido de carbono se genera cuando se
quema cualquier sustancia que contiene carbono. También es un producto de la
respiración y de la fermentación. Las plantas absorben dióxido de carbono durante la
fotosíntesis.
Disolvente: Es una sustancia que permite la dispersión de otra en su seno. Es el medio
dispersante de la disolución. También es el componente de la mezcla que se encuentra
en mayor proporción.
Ecología: Parte de la biología que estudia las relaciones de los seres vivos entre sí y con
el medio en el que viven.
Ecosfera: Es el ecosistema global del planeta tierra, que se encuentra conformado por
todos aquellos organismos presentes en la Biosfera y las relaciones que se establecen
entre estos y con el ambiente.
Efecto Invernadero: Es un fenómeno atmosférico natural que permite mantener una
temperatura agradable en el planeta, al retener parte de la energía que proviene del sol.
A través de las actividades humanas se liberan grandes cantidades de carbono a la
atmósfera a un ritmo mayor de aquel con que los productores y el océano pueden
absorberlo, éstas actividades han perturbado el presupuesto global del carbono,
aumentando, en forma lenta pero continua el dióxido de carbono en la atmósfera;
propiciando cambios en el clima con consecuencias en el ascenso en el nivel del mar,
cambios en las precipitaciones, desaparición de bosques, extinción de organismos y
problemas para la agricultura.
Efluentes: Término empleado para nombrar a las aguas servidas con desechos sólidos,
líquidos o gaseosos que son emitidos por viviendas o industrias.
Emisiones: Son todos los fluidos gaseosos, puros o con sustancias en suspensión; así
como toda forma de energía radioactiva, electromagnética o sonora, que emanen como
residuos o productos de la actividad humana o natural.
Estratosférico: De la estratosfera o relacionado con esta zona de la atmósfera.
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Fase vapor: Es un estado de la materia en el que las moléculas apenas interaccionan
entre sí, adoptando la forma del recipiente que lo contiene y tendiendo a expandirse todo
lo posible.
Fertilizantes: Es cualquier tipo de sustancia orgánica o inorgánica que contiene
nutrientes en formas asimilables por las plantas, para mantener o incrementar el
contenido de estos elementos en el suelo, mejorar la calidad del sustrato a nivel
nutricional y estimular el crecimiento vegetativo de las plantas.
Industrialización: Desarrollo de la actividad industrial en una región o país implantando
en él industrias o desarrollando las que ya existen.
Ingeniería verde: Es el diseño, comercialización y uso de procesos y productos, técnica
y económicamente viables, a la vez que se minimiza la generación de contaminación en
origen y el riesgo para la salud y el medio ambiente.
Innovación: Cambio que se introduce en algo y que supone una novedad.
Insecticida: Es un compuesto químico utilizado para matar insectos normalmente,
mediante la inhibición de enzimas vitales.
Litosfera: Capa externa y rígida de la Tierra, de profundidad variable entre los 10 y los
50 km, constituida básicamente por silicatos e integrada por la corteza y parte del manto.
Materia prima: Son los materiales extraídos de la naturaleza que nos sirven para
construir los bienes de consumo. Se clasifican según su origen: vegetal, animal, y mineral.
Medio ambiente: Es un sistema formado por elementos naturales y artificiales que están
interrelacionados y que son modificados por la acción humana.
Mol: Es la unidad con que se mide la cantidad de sustancia, una de las siete magnitudes
físicas fundamentales del Sistema Internacional de Unidades.
Molécula: Es una partícula formada por un conjunto de átomos ligados por enlaces
covalentes o metálicos (en el caso del enlace iónico no se consideran moléculas, sino
redes cristalinas), de forma que permanecen unidos el tiempo suficiente como para
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completar un número considerable de vibraciones moleculares. Constituye la mínima
cantidad de una sustancia que mantiene todas sus propiedades químicas.
n-Butano: Es un hidrocarburo saturado, parafínico o alifático, inflamable, formado por
cuatro átomos de carbono y por diez de hidrógeno. Como es un gas incoloro e inodoro,
en su elaboración se le añade un odorizante (generalmente un mercaptano) que le
confiere olor desagradable. Esto le permite ser detectado en una fuga, porque es
altamente volátil y puede provocar una explosión.
Oxidación: Se define como la pérdida de electrones por un átomo.
Ozono: Es una sustancia cuya molécula está compuesta por tres átomos de oxígeno,
formada al disociarse los 2 átomos que componen el gas de oxígeno. A temperatura y
presión ambientales el ozono es un gas de olor acre y generalmente incoloro, pero en
grandes concentraciones puede volverse ligeramente azulado. Si se respira en grandes
cantidades, es tóxico y puede provocar la muerte.
Pellet: Es una denominación genérica, utilizada para referirse a pequeñas porciones de
material aglomerado o comprimido.
Policlorobifenilos: Son una familia de 209 congéneres que poseen una estructura
química orgánica similar y que se presentan en una variedad de formas que va desde
líquidos grasos hasta sólidos cerosos. Están considerados según el Programa de las
Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) como uno de los doce contaminantes
más nocivos fabricados por el ser humano.
Poliuretano: Es una resina sintética que se obtiene mediante condensación de
poliésteres; se caracteriza por su baja densidad y son muy utilizados como aislantes
térmicos y espumas resilientes, elastómeros durables, adhesivos y selladores de alto
rendimiento, pinturas, fibras, sellos, empaques, juntas, preservativos, partes
automotrices, en la industria de la construcción, del mueble y múltiples aplicaciones más.
Quinona: Es uno de los dos isómeros de la ciclohexanodiona o bien un derivado de los
mismos. Los dos isómeros son la orto-benzoquinona (o-benzoquinona), que es la 1,2-
diona, y la para-quinona o para-benzoquinona (p-benzoquinona), que es la 1,4-diona. La
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parabenzoquinona es la forma oxidada de la hidroquinona y la orto-benzoquinona es la
forma oxidada del catecol (1,2-dihidroxibenceno).
Reacción de Diels-Alder: Es una de las reacciones más importantes en la química
orgánica para la formación de anillos de seis eslabones. La reacción tiene lugar entre un
compuesto con dos dobles enlaces conjugados (dieno) y una olefina simple (dienófilo).
Reacción química: Es todo proceso químico en el que unas o más sustancias (reactivas
o reactantes) sufren transformaciones químicas para convertirse en otra u otras
(productos). Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos.
Recurso natural: Bien o servicio proporcionado por la naturaleza sin alteraciones por
parte del ser humano.
Recurso renovable: Es un recurso natural que se puede restaurar por procesos
naturales a una velocidad superior a la del consumo por los seres humanos.
Resina: Es cualquiera de las sustancias de secreción de las plantas con aspecto y
propiedades más o menos análogas a las de los productos así denominados. Se puede
considerar como resina las sustancias que sufren un proceso de polimerización o secado
dando lugar a productos sólidos siendo en primer lugar líquidas.
Sectores productivos: Son las distintas ramas o divisiones de la actividad económica,
atendiendo al tipo de proceso que se desarrolla. Se distinguen tres grandes sectores
denominados primario, secundario y terciario.
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