Primer tema del temario de química inorgánica industrial (4º curso, Universidad de Valencia)

1. QUÍMICA
INORGÁNICA
INDUSTRIAL Y
CERÁMICATEMA 1 INTRODUCCIÓN

2. QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Química Inorgánica Industrial (3 créditos)
Dr. Sergio Tatay Aguilar
• Instituto de Ciencia Molecular (Despacho 2.9.2)
Segundo piso, segundo pasillo de la izquierda
En la puerta: Francisco Romero
• sergio.tatay@uv.es
• http://www.uv.es/taser/
• Tel. +34 96 354 44 05
Cerámica (3 créditos)
Prof. Javier Alarcón
• Edifición de Investigación (Despacho )
• javier.alarcon@uv.es
• Tel. +34 96 354 45 84
ESTRUCTURA DE LA ASIGNATURA
2

3. QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Tema 1: Introducción
Tema 2: El agua y sus compuestos
Tema 3: El nitrógeno
Tema 4: El fósforo
Tema 5: El azufre
Tema 6: Los halógenos
Tema 7: El carbono
Tema 8: El óxido de titanio
Tema 9: El silicio
TEMARIO
3

4. QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Clases
Clases expositivas (22.5 h)
Tutorías presenciales (7.5 h)
Evaluación
Trabajo previo / trabajo en tutorías (2 puntos)
Examen (8 puntos)
Otros (1 punto)
EVALUACIÓN
4

5. QUÍMICA INDUSTRIAL
Institute for Prospective Technological Studies Reference
Documents
http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/
Industrial Inorganic Chemistry
Büchel, Moretto y Woditsch. 2000, Wiley-VCH
An Introduction to Industrial Chemistry
Alan Heaton, Ed. 1996, Blackie Academic
Shreve’s Chemical Process Industries
Austin. 1977, McGraw Hill
Riegels Handbook of Industrial Chemistry
Riegel, Kent, Kent. 1993, Sptinger
Otros
Wikipedia (ES, FR, EN, IT)
BIBLIOGRAFÍA
5

6. TEMA I
Conceptos básicos
PARTE I
Perspectiva histórica
PARTE II
Productos químicos: Clasificación
Aspectos económicos
Productos químicos más importantes
Materias primas
PARTE III
Procesos industriales
Batch y continuo
Del laboratorio a la industria
PARTE IV
Ecología y sostenibilidad
ÍNDICE
6

7. QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Química
Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la
materia a partir de su composición atómica
DEFINICIONES
7

8. QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Química
Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la
materia a partir de su composición atómica
Inorgánica
Antiguamente:
Vitalismo → Compuestos orgánicos e inorgánico
Actualmente: Orgánico
Moléculas que contienen enlaces C-C
Moléculas con elevada proporción H:C
Industrial
Conjunto de operaciones materiales ejecutadas para la
obtención, transformación y distribución de uno o varios
productos
DEFINICIONES
Wöhler
Kolbe
8

9. PARTE I
PERSPECTIVA
HISTÓRICA
9

10. QUÍMICA INDUSTRIAL
Revolución Industrial (S XIX, UK)
Mecanización
• Herramientas
• Máquina de vapor
• Metalurgia
Comercio a gran escala
• Mejora de las comunicaciones
y los medios de transporte
• Aparición del ferrocarril y barco
de vapor.
Cambio social
• Urbanización (Ciudad y factoría)
• Nuevas clases sociales
• Número de personas
PERSPECTIVA HISTÓRICA
10

11. QUÍMICA INDUSTRIAL
PERSPECTIVA HISTÓRICA
11
SS Great Eastern
(Brunel 1858 )
Salamanca
(Murray 1812)
Menay Suspension Bridge
(Telford, 1826)
Spinning Jenny
(Hargreaves, 1764) Máquina de Vapor
(Watt, 1774)

12. QUÍMICA INDUSTRIAL
<1750: Fundamentalmente ácidos y bases
1746: H2SO4 en camara de plomo (Roebuck)
1770s: Gas lighting (Murdock)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
12

13. QUÍMICA INDUSTRIAL
1791: Na2CO3 por el método LeBlanc
1799: “Bleaching powder” (Tennant)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
13

14. QUÍMICA INDUSTRIAL
1845: Cemento Portland (Johnson)
1855: Destilación fraccionaria (Silliman)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
14

15. QUÍMICA INDUSTRIAL
1855 Proceso Bessemer (Bessemer)
1856: Síntesis de la mauveina (Perkin)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
Mauveina A
15

16. QUÍMICA INDUSTRIAL
1864: Na2CO3 por el método Solvay
1897: Síntesis industrial del indigo (BASF, Baeyer)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
Indigofera tinctoria
16

17. QUÍMICA INDUSTRIAL
1912: Proceso Haber-Bosch
1935: Sínthesis del Nylon (DuPont, Carothers)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
17

18. QUÍMICA INDUSTRIAL
Síntesis de productos que existen en la naturaleza, pero que se
pueden producir en el laboratorio en mayor cantidad o más baratos
Síntesis de Na2CO3 por el método LeBlanc
Síntesis del índigo
Creación de nuevos productos que no existían antes
Síntesis de la mauveina
Síntesis de productos farmacéuticos
Aprovechamiento de materiales secundarios o sin interés
Petróleo
Sustituimos el método anterior por otro que usa materiales más
baratos y produce productos secundarios de mayor valor.
Método Solvay
TIPOS DE AVANCES
18

19. PARTE II
PRODUCTOS Y MATERIAS
PRIMAS

20. INDUSTRIA QUÍMICA
VENTAS GLOBALES
20

21. INDUSTRIA QUÍMICA
VENTAS POR REGIÓN
21

22. INDUSTRIA QUÍMICA
VENTAS EN LA EU POR AÑO
22

23. INDUSTRIA QUÍMICA
VENTAS POR PAÍS
23

24. INDUSTRIA QUÍMICA
10 COMPAÑÍAS LIDERES
Chem. Eng. News 28,92 (2014) 10
d) Sales include a significant amount of nonchemical products
EUROPA: 4
AMERICA: 3
ASIA: 2
O. MEDIO: 1
24

25. INDUSTRIA QUÍMICA
10 COMPAÑÍAS LÍDERES
Chem. Eng. News 28,92 (2014) 10
1.Europa
$380.000m
4. Oriente Medio
$42.000m
3. América
$234.000m
2. Asia
$287.000m
5. África
$10.000m
Chemical Sales of Global Top 50 Companies by Region
25

26. PRODUCTOS QUÍMICOS
En función del uso
Uso final: fertilizante, detergente, plásticos, textil...
Función de uso: antioxidante, catalizadores, lubricante...
En función de las materias primas
Orgánica, inorgánica
En función del volumen de producción (y el precio)
• Commodity/Base: A partir de recursos naturales o como derivados
poco elaborados. Grado de diferenciación bajo.
• Speciality: A partir de los commodity. Tienen un uso específico. Grado
de diferenciación alto.
• Fine: Sustancias complejas. Grado de diferenciaición alto.
• Consumer: Vendidos a los consumidores. Grado de diferenciación alto.
CLASIFICACIÓN
26

27. PRODUCTOS QUÍMICOS
En función del volumen de producto
CLASIFICACIÓN
27
Wikipedia.en

28. PRODUCTOS QUÍMICOS
INDUSTRIA QUÍMICA EN EU POR SECTOR
28

29. PRODUCTOS QUÍMICOS
INDUSTRIA QUÍMICA EN EU POR SECTOR
29

30. PRODUCTOS QUÍMICOS
ORGÁNICOS E INORGÁNICOS
Chem. Eng. News 26,91 (2013) 13
30

31. PRODUCTOS QUÍMICOS
POR PAISES
Chem. Eng. News 27,89 (2011) 55
31

32. PRODUCTOS QUÍMICOS
POR PAISES
Chem. Eng. News 27,89 (2011) 55
32

33. PRODUCTOS QUÍMICOS
POR PAISES
Thousands of metric tonnes
UE 8.5 kton
USA 9.5 kton
China 42 kton
33

34. MATERIAS PRIMAS
SEGÚN SU ORÍGEN
34

35. MATERIAS PRIMAS
De la atmósfera
A partir del aire: N2, O2, Ne, Ar, Kr, Xe
Atmosfera 5x1021 toneladas de aire
De la hidrosfera
A partir del agua de mar: NaCl, Mg2+, Br-
Aguas oceánica 5x1021 litros. 3.5% materia disuelta
De la litosfera
La mayoría de elementos se obtienen a partir de menas minerales,
carbón o hidrocarburos.
Carbón, gas natural y petróleo son también fuentes de energía.
De la biosfera
Aceites, grasas, ceras, resinas, azucares, fibras naturales o cuero
SEGÚN SU ORÍGEN
35

36. MATERIAS PRIMAS
DE LA INDUSTRIA QUÍMICA
Clasificaión de las materias primas según su aplicación
Materia Prima Producto final
CaF2 HF
Na2SO4
−
N2 NH3, HNO3
H2,O2 H2O2
S, H2S, FeS2 H2SO4
K5(PO4)3X H3PO4,HF
NaCl Cl2, NaClO3, NaOH
CaCO3 Na2CO3, Portland
36

37. MATERIAS PRIMAS
CaF2
World Mining Statistics
British Geological Survey
2013
China 4 Mton
37

38. MATERIAS PRIMAS
Na2CO3
World Mining Statistics
British Geological Survey
2012
38

39. MATERIAS PRIMAS
AZUFRE
39

40. MATERIAS PRIMAS
AZUFRE
Na2SO4
World Total (2012, tonnes)
Natural 8 000 000
By product 3 000 000
Europe 7 Mton
USA 9 Mton
China 10 Mton
Total 76 Mton
40

41. MATERIAS PRIMAS
NaCl
41

42. MATERIAS PRIMAS
NaCl
USA 44 Mton
China 64 Mton
Europe 70 Mton
Total 281 Mton
42

43. MATERIAS PRIMAS
K5(PO4)3X
China 91 Mton
World Mining Statistics
British Geological Survey
2013
43

44. MATERIAS PRIMAS
CaCO3
USA 19 Mton
Europe 34 Mton
China 210 Mton
Total 340 Mton
Thousands of metric tonnes
44

45. MATERIAS PRIMAS
COMPANÍAS MINERAS LIDERES (MARKET VALUE 2015)
statista.com
45

46. MATERIAS PRIMAS
10 COMPAÑÍAS LIDER

47. PARTE 3
CONSIDERACIONES
REFERENTES A LA
SÍNTESIS QUÍMICA
INDUSTRIAL

48. ¿QUÉ SABEMOS?
QUIERO JUGAR UN JUEGO
48

49. ¿QUÉ SABEMOS?
¿Cómo se puede producir Cl2 en el laboratorio?
¿Cómo se produce Cl2 en la industria moderna?
En una reacción química(industrial) ¿Qué se entiende por:?
• Grado de conversión
• Rendimiento
• Selectividad
Reactor: 6.0 mmol eteno 5.748 eteno + 0.244 de etanol
Calcula el grado de conversión el rendimiento y la selectividad.
¿Cuáles crees que son la etapas en la creación de una planta
química?
PEQUEÑO TEST DE NIVEL
49

50. PROCESOS INDUSTRIALES
Síntesis de cloro
En el laboratorio: Se añade gota a gota HCl sobre KMnO4
usando un embudo de adición condensada.
6 HCl + 2 KMnO4 + 2 H+ → 3 Cl2 + 2 MnO2 + 4 H2O + 2 K+
En la industria: Una disolución acuosa de NaCl se introduce en
una celda electroquímica a través de un diafragma.
2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH
El proceso se opera en continuo y la sal no reaccionada se recupera.
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
50

51. PROCESOS INDUSTRIALES
Producción de fenoles
En el laboratorio (disolución):
C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl (cat. homogéneo)
C6H5Cl + NaOH → C6H5ONa
C6H5ONa + HCl → C6H5OH + NaCl
En la industria (fase gas):
C6H6 + HCl + ½ O2 → C6H5Cl + H2O (cat. heterogen., 350ºC)
C6H5Cl + H2O → C6H5OH (cat. heterogén., 300ºC)
La mayoria de los procesos en el laboratorio son:
Reacciones en disolución (catálisis homogénea)
Las temperaturas son relativamente bajas
Raramente se realizan en continuo
Selectividad/Conversión menos importante que rendimiento
No se recuperan los reactivos
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
51

52. PROCESOS INDUSTRIALES
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
52
Wikipedia.en

53. PROCESOS INDUSTRIALES
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
53

54. PROCESOS INDUSTRIALES
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
54
http://www.essentialchemicalindustry.org
1. El amoniaco se produce a partir de gas natural que llega a través de tuberías. 2.
Parte del amoniaco se usa para hacer ácido nítrico 3. El amoniaco y el ácido
nítrico se destinan a la producción de nitrato amónico. 4. El amoniaco se usa
también para producir cianuro de hidrógeno 5. El cianuro de hidrógeno se
transforma en metil 2-metilpropanoato que se destinará a la síntesis de polímeros
acrílicos. 6. El ácido sulfúrico de desecho se recuperan 7. Los reactivos y
productos se almacenan en grandes tanques.

55. PROCESOS INDUSTRIALES
Hidratación del Etileno
Reacción principal:
CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH (cat.)
Reacción secundaría:
Generación de polietileno
A la entrada del reactor:
6.00 moles de eteno
A la salida del reactor:
0.244 moles de etanol
5.748 moles de eteno
¿Cuál es el rendimiento, el grado de conversión y la selectividad?
GRADO DE CONVERSIÓN Y SELECTIVIDAD
55

56. PROCESOS INDUSTRIALES
Grado de conversión
(6.00 – 5.748) / 6.00 x 100 = 4.2%
Selectividad / Eficiencia
0.244 / (6.00 – 5.748) x 100 = 96.82%
Rendimiento
0.244 / 6.00 x 100 = 4.066%
4.2 x 0.9682 = 4.066%
GRADO DE CONVERSIÓN Y SELECTIVIDAD
56

57. PROCESOS INDUSTRIALES
I+D
Laboratorio
Planta Piloto
Escalado
Producción
Revisión
DISEÑANDO UNA PLANTA INDUSTRIAL
57

58. PROCESOS INDUSTRIALES
I+D
Laboratorio
Planta Piloto
Escalado
Producción
Revisión
DISEÑANDO UNA PLANTA INDUSTRIAL
Elección de la ruta sintética
• Disponibilidad y costes de las materias
primas
• Modo de operación
• Naturaleza de los productos
• Número de etapas
• Condiciones de reacción
• El rendimiento de la reacción
• ¿Podemos aprovechar los productos
secundarios?
• ¿Podemos reutilizar los materiales no
reaccionados?
• Consideraciones ambientales/ Gestión de
residuos
58

59. PROCESOS INDUSTRIALES
De capital
Incluyen los costes para la obtención de los conocimientos necesarios y la
contrucción de la planta
De producción (€/kg)
Fijos: Independientes del volumen de producción
• Devaluación de la planta
• Mano de obra
• Impuestos
Variables: Dependen del volumen de producción
• Precio de la materias primas y la energía
• Envasado y distribución
• Tratamiento de residuos
COSTES
59

60. PROCESOS INDUSTRIALES
UN EJEMPLO DE REDUCCIÓN DE COSTES
60

61. PROCESOS INDUSTRIALES
GASTO EN I+D
61

62. PROCESOS INDUSTRIALES
ESCALA INDUSTRIAL
http://www.essentialchemicalindustry.org and Wikipedia
62

63. PROCESOS INDUSTRIALES
Procesos tipo Batch
Procesos en continuo
BACTH VS CONTINUO
63

64. PROCESOS INDUSTRIALES
Procesos en Continuo
BACTH VS CONTINUO
http://www.essentialchemicalindustry.org
64

65. PROCESOS INDUSTRIALES
PROCESOS DE SEPARACIÓN
Extracción Destilación Filtración Trampa de gases
ADSORCIÓN
g1-g2 + s → g1 + s-g2
ABSORCIÓN / SCRUBBING
g1-g2 + l → g1 + l-g2
STRIPPING
l-g1 + g2 → l + g1-g2
DESTILACIÓN
l1-l2 → g1 + l2
EXTRACCIÓN
l1-l2 + l3 → l1-l3 + l2
FILTRACIÓN (OSMOSIS)
l + s → l
(T2/T3)
(T2)
65

66. PROCESOS INDUSTRIALES
ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING
g1 + g2
l3
g1
g2-l3
g3
g2
g2 + g3
l3
g2-l3
l3
66

67. PROCESOS INDUSTRIALES
ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING
Tipos de columna
67

68. PROCESOS INDUSTRIALES
ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING, DESTILACIÓN
Tipos de columna
Platos en una columna fraccionaria Relleno en una columna empaquetada
68

69. PROCESOS INDUSTRIALES
DESTILACIÓN
l1 + l2
l1
l2
Temperature
69
g2

70. PROCESOS INDUSTRIALES
EXTRACCIÓN
l1 + l2
l3
l3
g3 + (g1)
l2 + l3
l3
l2l1
l1 + (l3)
EXTRACCIÓN
STRIPING
DESTILACIÓN
Densidad:
l1 > l2, l3
g1
g3
l3
70
DECANTA-
CIÓN
l2 + l3

71. PROCESOS INDUSTRIALES
EXTRACCIÓN
A mixer-settler
71

72. PARTE IV
ALGUNOS ASPECTOS
SOBRE SOSTENIBILIDAD
Y ECOLOGÍA

73. SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA
Pre-1863
Ningún tipo de regulación
1863: Alkali Inspectorate
Regulación sobre la emisiones de HCl en UK
1950s Aumenta el interés en los desechos industriales
Gran niebla de Londres (1952)
Minamata (1956)
1962 “Silent Spring” Rachel Carson
1980s Problema mundial
Lluvia ácida, agujero de la capa de ozono, calentamiento global…
1984 Desastre de Bophal
1986 Chernóbil (Fukushima, 2011)
1989 Protocolo de Montreal
Substitución de los CFCs
1990 Concepción holística
UN POCO DE HISTORIA
73

74. SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA
1988 Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer
1989 Montreal Protocol on Substanteces that deplete the Ozone
Layer
1992 Convention on Biological Diversity
1992 Framework Convention on Climate Change
1994 Convention to Combat Desertification
1997 Kyoto Protocol to the Framework Convention on Climate
Change
2000 Cartagena Protocol on Biosafety
2001 Stockholm Convention on Persitent Organic Pollutants
TRATADOS MÁS IMPORTANTES
74

75. INDUSTRIA QUÍMICA
La industria química genera contaminantes de forma directa e indirecta
Industria Orgánica
PCBs, Dioxins, Furans, DDTs, Toxaphene, Hexachlorobenzene, Aldrin,
Deieldrin, Endrin, Chlordane, Mirex, Heptachlor
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES
PCB DDT
Aldrin Mirex
75

76. INDUSTRIA QUÍMICA
La industria química genera contaminantes de forma directa e indirecta
Industria Inorgánica
Combustión de materia combustibles fósiles y gas (C, N, S)
Monóxido de carbono (CO):
• Ozono troposférico, tóxico
Dioxido de carbono (CO2):
• Desplaza al oxígeno, efecto invernadero, lluvia ácida.
Óxidos de nitrógeno (NOx) y otros compuestos (NH3, HCN)
• Ozono troposférico, lluvia ácida, tóxico
Óxido nitroso (N2O)
• Efecto invernadero
Oxidos de azufre (SOx) y otro compuestos (H2S, CS2)
• Lluvia ácida, tóxico
Halógenos (Cl2, Br2) y sus compuestos (HCl, HBr, HF)
• Lluvia ácida, tóxicos, efectos sinérgicos
Partículas en suspensión:
• Efecto para la salud y el medio ambiente
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES
76

77. INDUSTRÍA QUÍMICA
EFECTOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE
77

78. EFECTO INVERNADERO
GASES DE EFECTO INVERNADERO
Wikipedia, EN
78

79. EFECTO INVERNADERO
GASES DE EFECTO INVERNADERO
Wikipedia, FR
79

80. CONTAMINACIÓN INORGÁNICA
FUENTES PRINCIPALES
80

81. CONTAMINACIÓN INORGÁNICA
FUENTES PRINCIPALES
81

82. CONTAMINACIÓN INORGÁNICA
FUENTES PRINCIPALES
82

83. CONTAMINACIÓN INORGÁNICA
FUENTES PRINCIPALES
83

84. LLUVIA ÁCIDA
NOx:
2 NO2 + H2O → HNO2 + HNO3
3 HNO2 → HNO3 + 2 NO + H2O
4 NO + 3 O2 + 2 H2O → 4 HNO3
SOx:
SO2 + H2O → H2SO3
2 SO2 + O2 → 2 SO3
SO3 + H2O → H2SO4
CO2:
CO2 + H2O → H2CO3
REACCIONES MÁS IMPORTANTES
84

85. OZONO TROPOSFÉRICO
El ozono en la ozonosfera
O3 + hv1 → O2 + 3O
3O + M → 1O + M*
1O + O2 → O3
El ozono en la troposfera
NOx:
2 NO + O2 → 2 NO2
NO2 + hν → NO + O
O2 + O → O3
CO:
CO + 2O2 + hν → CO2 + O3
EL SMOG
85

86. CONTAMINACIÓN INORGÁNICA
FUENTES PRINCIPALES
OECD enviromental outlook for the chemical industry, 2001
86

87. ALGUNOS TEMAS
Tipos de reactores
Equipamiento industrial
Pigmentos
Complejo Ludwigshafen Verbund
Historia del cemento
Tratados ecológicos actuales
Polución debida a partículas en suspensión
Polución debida a metales pesados
87

88. RASCHING RINGS
88