Introducción a la Ingeniería Química

En la entrada anterior, se establecieron de forma descriptiva, algunas diferencias entra la Ingeniería Química y la Ciencia Química, debido a lo frecuente de la confusión. Para comprender mejor ese punto, se utilizó como ejemplo un caso práctico (reactor de hidrodesulfuración). Teniendo esa base previa, se debe definir ahora con mayor precisión: ¿qué es la ingeniería química?

En términos sencillos, el Instituto de la Ingenierìa Quìmica del Reino Unido (Institution of Chemical Engineering, IChemE) señala lo siguiente en una de sus websites:

"Chemical engineering is all about changing raw materials into useful products you use everyday in a safe and cost effective way". (La ingeniería química es todo lo relacionado a la transformación de materias primas en productos útiles de uso cotidiano, de forma económica y segura). [1]

Por su parte, la Universidad de Almería (España), refiere en su portal web una definición más precisa acerca de la ingeniería química:

"Ingeniería Química es la rama de la Ingeniería que se dedica al estudio, síntesis, desarrollo, diseño, operación y optimización de todos aquellos procesos industriales que producen cambios físicos, químicos y/o bioquímicos en los materiales". [2]

Finalmente, si se quiere un enfoque aùn màs específico, la Universidad de Cádiz (España) cita lo siguiente en su website:

"La Ingeniería Química es una disciplina que sistematiza los conceptos físicos, químicos y de otras áreas auxiliares para su aplicación al diseño, desarrollo y operación de procesos a escala industrial. La Ingeniería Química participa no sólo en la industria química que le es propia, sino en otros sectores industriales como la minería, la metalurgia, los materiales de construcción, la tecnología de los alimentos, el tratamiento de vertidos y residuos, la producción de energía, etc". (Callejo y col., 1999). [3]

Como se puede apreciar, las tres definiciones coinciden en la siguiente idea fundamental: procesos industriales donde una materia prima sufre cambios físicos y químicos. Conviene recordar aquí el principio de conservación de la materia, descubierto por el químico francès Antoine Lavoissier (1782): "la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma". La filosofía de la ingeniería química, se encuentra en ese principio.

Existe una amplísima variedad de procesos industriales químicos, cada uno con sus propias características y diversos grados de complejidad. De hecho, un mismo producto puede obtenerse a partir de diferentes procesos. Sin embargo, la mayoría de los procesos cumplen a rasgos generales, con el siguiente esquema que se muestra continuación:

Los bloques indican etapas de proceso, mientras que las flechas señalan las corrientes (flujos) de materia. La alimentación fresca, se refiera a la materia prima, tal como es recibida por la planta industrial. Luego se mezcla con una corriente de recirculación (esto se explicará más adelante), formando así la alimentación bruta con una nueva composición. El nuevo material se somete entonces a la etapa de tratamiento, en la cual ocurren varios cambios fìsicos. Esto sirve como acondicionamiento previo a la etapa de reacción, (transformación química). 

¿Qué sucede luego de la reacción química? Generalmente, se obtiene una mezcla de reactivos (materia prima) y productos, debido a que los procesos no son perfectos y no se logra la conversión total de los reactivos. Además, suelen presentarse dos escenarios: 

a) De los productos obtenidos, sólo uno o dos son los deseados (por su valor comercial y utilidad), mientras que los demás no (bien por su escaso valor comercial y utilidad, o bien porque son contaminantes). 

Ejemplo: en el proceso de síntesis de úrea (NH2CONH2), ingresan diòxido de carbono (CO2) y amoníaco (NH3) como reactivos; se forma entonces carbamato de amonio (NH2COONH4) como producto intermediario, que se descompone en úrea y agua. La reacción no ocurre en forma completa, por lo cual queda un remanente de CO2 y NH3. En ese proceso, sólo interesa la úrea como producto (precursor para fertilizantes), mientras que el agua no tiene valor económico, y el carbamato es contaminante y tóxico.

CO2 + 2 NH3 ----> NH2COONH4 

NH2COONH4 ----> NH2CONH2 + H2O

b) Se obtienen diversos productos, todos con potencial valor económico pero sólo si cada uno de ellos tiene un alto grado de pureza. 

Ejemplo: El gas natural contiene metano, etano, propano, butanos y otros hidrocarburos; todos sirven como combustibles. Ademàs, el metano se utiliza como gas vehicular, y gas de sintesis para la industria petroquìmica; el etano y el propano son claves para la producción de polietilenos y polipropilenos, respectivamente; mientras que los butanos sirven como propelentes y gas doméstico.

En ambos escenarios, el problema se resuelve en la etapa de separación. Aplicando procesos fìsicos denominados operaciones unitarias, se logra recuperar el producto final deseado con una alta pureza. El resto del material se separa y se deriva en dos corrientes: una de recirculaciòn, que se mezcla con la alimentación fresca para aprovechar la materia prima que no reaccionó (pero que igual la empresa compró, cabe destacar); y otra de purga, para retirar del sistema los compuestos no deseados.

La etapa de separación es muy importante, ya que permite mejorar la eficiencia global del proceso, aún cuando la eficiencia del reactor no es la mejor. Inclusive, existen algunos procesos que NO tienen reacciones químicas, y se encuentran dentro de la ingeniería química (por irónico que suene). Un ejemplo es el proceso de producción de azúcar a partir de la caña. En este proceso, no ocurre una reacción, pero sí una gran cantidad de operaciones unitarias: molienda, cristalización, evaporación y filtración.

En una próxima publicación, se abordará el tema de las operaciones unitarias.

Referencias

[1] http://www.whynotchemeng.com/information/what-is-chemical-engineering.aspx

    

     Disponible en: http://www.icheme.org/ 

[2] http://www.ual.es/portales/ingenieriaquimica/ing_quimica_def.html

[3] http://www2.uca.es/asociacion/agadeiq/paginas/iq.htm

Ingeniería Química y Ciencia Química

La Ingeniería Química es una profesión, con muchísimas aplicaciones en la actualidad. Así, se encuentra presente en los siguientes sectores industriales: petrolero, gas natural, petroquímico, farmaceútico, pinturas y recubrimientos, alimentos, bebidas, conservantes, detergentes, cosméticos, materiales,  tratamiento de aguas, entre otros.

Sin embargo, a pesar de su desarrollo, muchas personas todavía no entienden exactamente en qué consiste la Ingeniería Química. Con frecuencia, los Ingenieros Químicos somos confundidos como Químicos, cuando en realidad nuestras actividades son más afines con la Ingeniería de Procesos. También sucede muy a menudo, que jóvenes estudiantes se inclinan por la Ingeniería Química, pensando que cursarán una carrera centrada alrededor de la Química, y luego sufren un gran choque cuando se enfrentan a una realidad más diversa. Incluso a nivel gerencial, ocurre que se solicita a un Ingeniero Químico, para una labor que resultaría muchísimo más apropiada para un Químico. Por lo tanto, es necesario plantearse dos preguntas claves: ¿Qué hace un Químico? ¿Qué hace un Ingeniero Químico? 

Un Licenciado en Química, tiene conocimientos especializados sobre Química, desde un punto de vista principalmente científico. Entre sus áreas de estudio, se encuentran Química Inorgánica, Química Orgánica, Análisis Químico, Mecanismos de las reacciones químicas, Cinética, Termodinámica química, Fisicoquímica, entre otras. Un Químico está capacitado para el campo de la investigación en laboratorios, estudiar a profundidad la naturaleza de los enlaces químicos y sus efectos sobre las propiedades fisicoquímicas, sintetizar nuevas sustancias y proponer diferentes reacciones para obtener un determinado producto. Estos conocimientos son muy útiles, y sirven como línea base para definir procesos industriales; sin embargo, no son suficientes por sí solos. 

Un Ingeniero Químico, es un Ingeniero que maneja ciertos conocimientos sobre Química, pero también de otras áreas, como Fisicoquímica, Fenómenos de Transporte, Termodinámica, Operaciones Unitarias, entre otras, a fin de aplicarlos en procesos industriales. El Ingeniero Químico debe saber también sobre Seguridad Industrial y Control de Procesos, así como de aspectos económicos para la formulación y evaluación de proyectos. Si bien maneja conocimientos sobre Análisis Químico, generalmente no es el encargado de realizarlos directamente, sino más bien de interpretar sus resultados y tomar decisiones operacionales al respecto. Cabe destacar también que el Ingeniero Químico utiliza la Termodinámica con objetivos diferentes que un Químico Puro, ya que la enfoca hacia el análisis termodinámico de procesos y equipos, tales como columnas de destilación y absorción, turbinas, bombas y compresores, tuberías, reactores químicos, entre otros. 

Como ejemplo para explicar cómo interactúan ambas carreras, y sus respectivos ámbitos, puede considerarse un reactor de hidrodesulfuración del gas natural. Esta unidad de proceso es muy frecuente en la industria del gas natural, y permite remover significativamente el contenido de H2S (y otros compuestos azufrados) del gas original. Esto resulta de especial interés, porque el H2S es un compuesto muy tóxico y corrosivo, y puede transformarse en otros gases contaminantes como SO2. De hecho, existen estrictas especificaciones a nivel internacional sobre el contenido permisible de H2S en el gas a ventas.

La Química permite definir la reacción de hidrodesulfuración a utilizar, así como su mecanismo y cinética. Esta tarea es muy importante, considerando que: a) pueden existir en teoría muchas reacciones para lograr un mismo objetivo, pero son pocas las verdaderamente convenientes; b) en un proceso, pueden ocurrir reacciones secundarias (no deseadas). La Química también estudia los posibles catalizadores a utilizar, a fin de acelerar la reacción deseada, y cómo influyen la presión y temperatura sobre las reacciones químicas. Además, las técnicas de análisis químico resultan muy importantes para verificar con exactitud la composición del gas, tanto en la entrada como en la salida del reactor. 

¿Cuáles son las funciones del Ingeniero Químico? A continuación, se enumera una lista de posibles opciones:

• Realizar los balances de materia y energía en torno al reactor químico. Esto suele hacerse mediante simuladores de procesos, un tipo de programa que agiliza mucho los cálculos. Algunas situaciones, sin embargo, pueden requerir una verificación manual de los cálculos, o bien el diseño de una hoja de cálculo u otro tipo de aplicación. 
• Seleccionar el mejor catalizador para el reactor, en función de criterios operacionales y económicos. 
• Definir las mejores condiciones de presión y temperatura para la operación del reactor, teniendo en cuenta, por ejemplo, que temperaturas altas favorecen la velocidad de reacción, pero requieren de materiales más resistentes para el reactor y dañan el catalizador. 
• Diseñar el reactor, en función de la cinética química, las condiciones de presión y temperatura, el flujo de gas a tratar, el régimen de flujo, la corrosión, los materiales requeridos y criterios económicos, entre otras variables. 
• Control de las variables operativas del reactor. En casos críticos donde las condiciones de operación se salgan de su rango permisible, el Ingeniero Químico debe tomar con rapidez decisiones importantes para solucionar la situación. Muchos accidentes catastróficos, con saldos de muertos y heridos, y cuantiosas pérdidas económicas, podrían haberse evitado horas antes tomando la decisión correcta. 

Pueden plantearse muchísimos ejemplos relacionados con la industria, para distinguir entre la Química y la Ingeniería Química. No se trata de que una carrera sea mejor que la otra, sino de comprender mejor el alcance de cada una. Espero que esta publicación resulte de utilidad para aclarar un tema tan polémico, y que sirva para el debate.