Química Industrial

Industria química. Laboratorio. Proceso químico. Procesos industriales. Vertidos. Medio ambiente. Contaminación. Lluvia ácida. Efecto invernadero

  • Enviado por: Jose Antonio Pérez Vilas Auhh
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 12 páginas

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1.LA INDUSTRIA QUÍMICA:

1.1: CONCEPTO.

1.2: ANÁLISIS DEL PROCESO QUÍMICO.

1.3: INDUSTRIAS QUÍMICAS DE INTERES.

2.DEL LABORATORIO A LA PLANTA INDUSTRIAL:

2.1: EN EL LABORATORIO.

2.2: EN LA PLANTA INDUSTRIAL.

3.DESCRIPCIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES:

3.1: ÁCIDO SULFÚRICO.

3.2: ÁCIDO NÍTRICO.

3.3: EL AMONIACO.

3.4: CLORO E HIDRÓXIDO DE SODIO.

4.VERTIDOS INDUSTRIALES Y MEDIO AMBIENTE:

4.1: LA GASOLINA

4.2: LA LLUVIA ÁCIDA.

4.3: EL EFECTO INVERNADERO.

4.4: CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS

4.5: LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.

-BIBLIOGRAFÍA: *Química 2º Bachillerato de Santillana.

*Química 2º Bachillerato de Editex.

*Química General e Inorgánica(2ª parte).

*Diccionario enciclopédico Sapiens.

*Enciclopedia Encarta.

1.LA INDUSTRIA QUÍMICA

1.1: CONCEPTO

Sector que se ocupa de las transformaciones químicas a gran escala. La industria química se ocupa de la extracción y procesamiento de las materias primas, tanto naturales como sintéticas, y de su transformación en otras sustancias con características diferentes de las que tenían originariamente.

Las industrias químicas se pueden clasificar en industrias químicas de base e industrias químicas de transformación. Las primeras trabajan con materias primas naturales, y fabrican productos sencillos semielaborados que son la base de las segundas. Las industrias de base están localizadas en lugares próximos a las fuentes de suministros. Un ejemplo de industria química de base es la fabricación de alcohol por fermentación de azúcares. Las industrias químicas de base toman sus materias primas del aire (oxígeno y nitrógeno), del agua (hidrógeno), de la tierra (carbón, petróleo y minerales) y de la biosfera (caucho, grasas, madera y alcaloides).

Las industrias de transformación convierten los productos semielaborados en nuevos productos que pueden salir directamente al mercado o ser susceptibles de utilización por otros sectores.

Tradicionalmente, las operaciones de la industria química se basaban en una simple modificación o en un aumento de las dimensiones de los aparatos utilizados por los investigadores en los laboratorios. En la actualidad, todo proceso químico se estudia cuidadosamente en el laboratorio antes de convertirse en un proceso industrial y se desarrolla gradualmente en instalaciones piloto, no implantándose a gran escala hasta que no queda demostrada su rentabilidad.

La transición desde el laboratorio hasta la fábrica es la base de la industria química, que reúne en un solo proceso continuo llamado cadena o línea de producción las operaciones unitarias que en el laboratorio se efectúan de forma independiente. Estas operaciones unitarias son las mismas sea cual fuere la naturaleza específica del material que se procesa. Algunos ejemplos de estas operaciones unitarias son la trituración y molienda de las materias sólidas, el transporte de fluidos, la destilación de las mezclas de líquidos, la filtración, la sedimentación, la cristalización de los productos y la extracción de materiales.

1.2: Análisis del proceso químico:

El cálculo de un proceso químico lleva consigo tres tipos de problemas que, aunque relacionados entre sí, dependen de principios técnicos completamente diferentes. El primer tipo de problemas se encuentra en la preparación de los balances de materia y energía del proceso, y en el establecimiento de las misiones que han de cumplir las diferentes partes de la instalación. El segundo tipo es la determinación de las características específicas de las instalaciones necesarias para cumplir su función. Por ejemplo, en el laboratorio, un líquido no inflamable se puede evaporar haciéndolo hervir sobre una llama descubierta, pero en la industria el mismo proceso requiere tanques metálicos de gran área que faciliten la transferencia térmica entre la fuente de calor y el líquido. El tercer tipo de problemas incluye los de la selección de aparatos y materiales, y la integración de los diferentes medios dentro de un plan coordinado. Estos tres tipos de problemas pueden designarse como problemas de proceso, operaciones básicas y problemas de cálculo de planta, respectivamente. Los problemas de proceso son en su mayoría químicos, las operaciones básicas son principalmente de tipo físico y los problemas de cálculo de planta son en gran parte mecánicos. En el diseño de un proceso industrial estos problemas no se pueden separar y tratar cada uno individualmente sin considerar los otros.

1.3: Industrias químicas de interés

Las industrias químicas de productos inorgánicos más importantes son la de fabricación del ácido sulfúrico, la industria del vidrio, la de producción de aluminio, cobre, hierro y acero, la de obtención de amoníaco y abonos nitrogenados, y la de fabricación de sosa solvay, entre otras. Las industrias químicas de productos orgánicos más importantes son la industria carboquímica, cuya materia prima es el carbón, la industria petroquímica, cuya materia prima es el petróleo, y como derivadas de éstas las industrias de los plásticos y resinas sintéticas, y las de fabricación de detergentes.

2: DEL LABORATORIO A LA PLANTA INDUSTRIAL

2.1: EN EL LABORATORIO

  • Se suele limitar a la investigación básica.

  • Las cantidades utilizadas de reactivos son pequeñas.

  • Los valores de energía, presión y temperatura son moderados.

  • Los procesos químicos se efectúan en régimen discontinuo.

  • No suele hacerse el reciclado de reactivos en exceso.

  • Los equipos auxiliares del proceso químico no suelen ser grandes ni demasiado complicados.

  • Los problemas de seguridad son menores.

  • El impacto ambiental es relativamente pequeño y fácil de controlar.

2.2: EN LA PLANTA INDUSTRIAL

  • El fin último es obtener beneficios o satisfacer alguna necesidad nacional.

  • Las materias primas y los productos intervienen en grandes cantidades.

  • Los valores de energía, presión y temperatura son elevados.

  • Los procesos químicos se efectúan en régimen continuo.

  • Las exigencias económicas, ecológicas y de seguridad hacen que se recicle lo máximo posible materias sobrantes y subproductos.

  • Los sistemas auxiliares requieren personal experto.

  • Las cuestiones de seguridad adquieren proporciones gigantescas.

  • El impacto ambiental es un factor que condiciona cada día mas la industria química.

3: DESCRIPCIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES

3.1: ÁCIDO SULFÚRICO

Actualmente se utilizan dos procesos para obtener ácido sulfúrico. En las etapas iniciales ambos requieren el uso de dióxido de azufre, que se obtiene quemando piritas de hierro, FeS2, o azufre, en aire. En el primer proceso, denominado método de las cámaras de plomo, la reacción se lleva a cabo en grandes torres de ladrillos recubiertas de plomo. En estas torres, reaccionan dióxido de azufre gaseoso, aire, vapor de agua y óxidos de nitrógeno, produciendo ácido sulfúrico en forma de gotas finas que caen al suelo de la cámara. Casi todos los óxidos de nitrógeno se recuperan del gas que sale y se vuelven a introducir en la cámara para ser utilizados de nuevo. El ácido sulfúrico producido de esta forma, y el ácido etiquetado, sólo contienen de un 62 a un 70% de H2SO4; el resto es agua. Actualmente, casi un 20% del ácido sulfúrico se produce por el método de las cámaras de plomo, pero este porcentaje está disminuyendo.

El segundo método de obtención, el método de contacto, que empezó a usarse comercialmente alrededor de 1900, se basa en la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre, SO3, bajo la influencia de un catalizador. El platino finamente dividido, que es el catalizador más eficaz, tiene dos desventajas: es muy caro y además, ciertas impurezas existentes en el dióxido de azufre ordinario lo 'envenenan' y reducen su actividad. Muchos productores de ácido sulfúrico utilizan dos catalizadores: primero, uno más resistente aunque menos efectivo, como el óxido de hierro o el óxido de vanadio, que inician la reacción, y a continuación, una cantidad menor de platino para terminar el proceso. A 400 °C, la conversión de dióxido a trióxido de azufre es casi completa. El trióxido se disuelve en ácido sulfúrico concentrado, y al mismo tiempo un flujo de agua mantiene la concentración al nivel seleccionado, normalmente un 95%. Reduciendo el flujo de agua, puede obtenerse un producto con más SO3 del que contiene la fórmula H2SO4. Este producto, llamado ácido sulfúrico fumante, oleum o ácido Nordhausen, es necesario para algunas reacciones de química orgánica.

3.2: ÁCIDO NÍTRICO

1.Aplicaciones:

El HNO3 es uno de los ácidos mas importantes desde el punto de vista de vida industrial, pues se le consume en grandes cantidades en la industria de los abonos, colorantes, explosivos, fabricación del ácido sulfúrico, medicamentos y grabado de metales.

Los métodos de fijación de nitrógeno atmosférico (procedimiento de Birbeland-Eyde) y los estudiados para el amoníaco (Haber), complementados en la síntesis de Osdwald, tienen enorme importancia industrial y en particular para la agricultura pues las reservas naturales de abonos naturales como el salitre son insuficientes para satisfacer las necesidades de los cultivos, por lo que el aprovechamiento del nitrógeno atmosférico resolvió un problema de capital interés al suministrar nitratos minerales en grandes cantidades y a bajo costo.

Los explosivos modernos que han reemplazado a la antigua pólvora negra, son derivados nitratos obtenidos por la acción del ácido nítrico sobre alguna sustancia orgánica: con el algodón forma Algodón Pólvora o nitrocelulosa y se usa para el colodión y celuloide.

Con el Tolueno da lugar a la formación del TRINITROTOLUENO (T.N.T.) o Trotyl.

Es empleado para preparar Nitrobenceno, base de la anilina.

Con la glicerina constituye la Nitroglicerina, que mezclada con tierra porosa constituye la Dinamita.

Se prepara con el ácido piérico y Nitrato de Plata usado en la fotografía.

Por su acción oxidante, se emplea en muchos procesos y por la acción nitrante en la industria de los colorantes.

2.Elaboración:

a)Método de Laboratorio:

Tratando al Nitrato de Sodio con ácido sulfúrico concentrado. Se aplica una de las reglas de Bertholet, pues el ácido sulfúrico es mas fijo que el ácido nítrico.

NaNO3 + H2SO4 ! NaHSO4 + HNO3

Si se eleva la temperatura:

NaHSO4 + NaNO3 Na2SO4 + HNO3

Sumando ambas reacciones:

2 NaNO3 + H2SO4 Na2SO4 + 2 HNO3

b)Método Industrial: “La Síntesis de Oswald”

Se hacen pasar vapores de amoníaco y aire previamente calentados por una malla de platino a 1000ºC.

Se produce la Siguiente reacción:

4NH3 + 5O2 4NO (g) + 6 H2O

Este gas pasa a unas torres metálicas de absorción donde se produce esta otra reacción:

2 NO + O2 2 NO2 (g)

Este dióxido de nitrógeno con agua forma:

3 NO2 + H2O 2 HNO3 +NO (g)

El óxido nítrico vuelve a dar la reacción:

2 NO + O2 2 NO2 (g)

3.3: EL AMONIACO

Es un gas incoloro, de olor penetrante, más ligero que el aire. Se licua a -33 ºC a presión ambiente. Es un buen refrigerante, por lo que se utiliza en maquinas refrigerantes. Es muy soluble en agua y su disolución comercial esta formada por un 20% de amoniáco.

Elaboración:

Se fabrica con el método de Haber. Las materias primas son el nitrógeno que se obtiene por la destilación fraccionada del aire, y el hidrógeno, que puede obtenerse por reacción de metano con el vapor de agua a altas presiones y temperaturas. El CO2 producido junto con el hidrógeno en esta reacción, se elimina haciendo pasar la mezcla gaseosa a través de una disolución de carbonato potásico, que absorbe el dióxido deja pasar el hidrógeno.

Aire líquido ! Destilación ! N2

fraccionada

NH3

CH4(g) + 3H2O(g) ! CO2(g) + 4H2(g)

Nitrógeno e hidrógeno reaccionan según el equilibrio:

N2(g) + 3H2(g) 2H3(g) AH=-92k/j

Las condiciones optimas para la producción del amoniaco se encuentra entre los 140-340atm y 380-580 ºC. A pesar de los esfuerzos la conversión es pequeña entre 15-40%.

3.4: Cloro e hidroxido de sodio

Se forman a partir de la electrólisis del cloruro de sodio(una de las reacciones mas importantes de la industria química).

La electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de sodio da lugar a la formación de hidrógeno en el cátodo y de cloro en el ánodo:

  • Cátodo: 2H2O(l) + 2eø !H2(g) + 2OHø (ac)

  • Ánodo: 2Clø (ac)!Cl2 + 2eø

El ion sodio no participa en la reacción electrónica, ya que resulta mas facil la reducción del agua. L reacción neta es:

2Na (ac) + 2Clø (ac) + 2H2O(l)!H2(g) + Cl2(g) + 2Na (ac) + 2 OHø (ac)

Durante el proceso se pueden producir reacciones laterales no deseables(combinación explosiva de Cl y H...). Para ello se utilizan dos tipos de celdas que son:

Celdas de diafragma: el cloruro de sodio se electroliza parcialmente. Como resultado obtenemos 11% de NaOH y 16% de NaCl que tras la concentración por evaporación proporciona el 50% de NaOH y el 1% de NaCl.

Celdas de mercurio: utilizan un cátodo de mercurio. En el ánodo se produce cloro, pero con este cátodo el proceso de reducción se realiza sobre el ion Na con formación de sodio metal, que se disuelve en el mercurio líquido formando el amalgama. Este se bombea a otro depósito que contiene 50% NaOH; el mercurio se recicla nuevamente a la célula de electrólisis:

Na/Hg + H2O!NaOH + 1/2H2 + Hg

Estas crean un hidróxido de sodio de mayor pureza pero resulta muy complicado que no se pierda mercurio.

Celdas de membrana: evitan el vertido de mercurio. Estas contienen membranas selectivas basadas en polímeros fluoratos, que consiguen gran pureza de hidróxido de sodio . Esta tecnología esta dejando de lado a las otras células.

En todo caso el resultado del proceso de electrólisis es la preparación de cantidades equimoleculares de cloro e hidróxido de sodio. Se estima que la producción mundial de cloro sobrepasa los 25 millones de toneladas por año.

4: VERTIDOS INDUSTRIALES Y MEDIO AMBIENTE

4.1:La Gasolina y el Medio Ambiente

La gasolina se compone esencialmente de carbono e hidrógeno. Cuando la gasolina se quema, el carbono se une al oxígeno del aire para formar dióxido de carbono (CO2) y el hidrógeno se une con el oxigeno formando agua (H2O). Estos productos por la combustión de las gasolinas se generan siempre y cuando se cumpla la proporción óptima, 14,7 de aire por 1 de combustible (14,7:1). Como casi nunca se produce esta proporción surgen otras sustancias contaminantes. Estos son los productos contaminantes que expulsa el motor:

  • Monóxido de carbono (CO), un compuesto conocido y tóxico que en contacto con el aire libre se une rápidamente con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2).

  • Hidrocarburos no quemados.

  • Óxidos nítricos, se forman a partir del nitrógeno contenido en el aire procedente de la combustión.

El monóxido de carbono es tóxico y su inhalación en lugares cerrados puede ocasionar la muerte. En contacto con el aire libre, este gas se une de forma relativamente rápida con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2), este resultado no es tóxico pero tiene otro inconveniente, este gas es uno de los causantes de la aparición del famoso “efecto invernadero”.

Los compuestos de hidrocarburos tienen una peculiaridad, que pasan de ser inofensivos a ser cancerígenos. Al aire libre, los hidrocarburos son responsables, junto con los óxidos nítricos, de la formación de nubes de gases de difícil disolución (“smog”).

Los óxidos nítricos pueden, con una determinada concentración, llegar provocar irritaciones de los órganos respiratorios.

4.2:LA LLUVIA ÁCIDA

Las lluvias ácidas constituyen actualmente una preocupación mundial porque corroen los metales destruyen el equilibrio de la Naturaleza y son muy peligrosas para la salud humana. En gran parte son causadas por el azufre de los carburantes, dado que el azufre está presente en los combustibles fósiles ( petróleo, y sobre todo carbón ). Al quemarse este se desprende dióxido de azufre SO2, que se mezcla con la lluvia y forma ácido sulfuroso. Si bien su acidez es muy débil la lluvia ácida pone en peligro el equilibrio ecológico de la superficie terrestre. En otros subproductos de la combustión se encuentra el anhídrido sulfuroso, que además puede oxidarse en el aire para dar anhídrido sulfúrico ( otro compuesto gaseoso formado por la combinación con el oxígeno. Este último, al humedecerse con la humedad atmosférica da lugar a la formación de ácido sulfúrico que puede ser vertido a la tierra a través de la lluvia.

El ácido nítrico formado en la atmósfera a partir de óxidos de nitrógeno generados en las tormentas y desprendidas por muchas fábricas de productos químicos contribuyen también a la lluvia ácida.

El uso industrial del amoniaco en equipos de refrigeración y aire acondicionado provoca, en este caso, la neutralización de la lluvia ácida al ser éste una base. podemos

El fenómeno de las lluvias ácidas ( que en algunos casos pueden alcanzar la acidez del vinagre ) afecta a parte del norte de Europa y a Estados Unidos y representa una tremenda amenaza ambiental, en particular para los lagos y explotaciones agrícolas. Incluso los monumentos de piedra sufren importantes degradaciones por esta causa tanto mayor cuanto más próximo se encuentren a las zonas industriales. Son los países industrializados los que en mayor medida contribuyen a este desorden ecológico y serán también sus primeras víctimas si no se toman las medidas oportunas para corregirlos.

4.3: EL EFECTO INVERNADERO

La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar de onda corta, absorbida por la superficie de la Tierra. Gran parte de esta radiación se vuelve a emitir hacia el espacio exterior con una longitud de onda correspondiente a los rayos infrarrojos, pero es reflejada de vuelta por gases como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso, los halocarbonos y el ozono, presentes en la atmósfera. Este efecto de calentamiento es la base de las teorías relacionadas con el calentamiento global.

El contenido en dióxido de carbono de la atmósfera ha venido aumentando un 0,4% cada año como consecuencia del uso de combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón; la destrucción de bosques tropicales por el método de cortar y quemar también ha sido un factor relevante que ha influido en el ciclo del carbono. La concentración de otros gases que contribuyen al efecto invernadero, como el metano y los clorofluorocarbonos, está aumentando todavía más rápido. El efecto neto de estos incrementos podría ser un aumento global de la temperatura, estimado en 2 a 6 °C en los próximos 100 años. Un calentamiento de esta magnitud alteraría el clima en todo el mundo, afectaría a las cosechas y haría que el nivel del mar subiera significativamente. De ocurrir esto, millones de personas se verían afectadas por las inundaciones.

Según un estudio reciente, publicado por la revista Nature, la primavera es más larga debido en parte al efecto invernadero. Este estudio afirma que desde principios de 1980 la primavera se adelanta y la vegetación crece con mayor vigor en las latitudes septentrionales; esto se debe al calentamiento global que ha afectado a una gran parte de Alaska, Canadá y el norte de Asia y Europa, que a su vez está relacionado con el efecto invernadero de origen humano (teoría según la cual la población humana ha contribuido a la concentración de gases, tales como el dióxido de carbono, en la atmósfera). Mediante el uso de imágenes obtenidas a través de satélites climáticos, los científicos proporcionan pruebas del cambio climático y aportan datos significativos para el estudio del calentamiento global del planeta.

4.4:CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS


Contaminantes como los metales pesados tienen la capacidad de provocar cambios evolutivos debido a sus efectos dañinos en plantas. Ejemplos de metales pesados son el cobre (Cu), plomo (Pb), zinc (Zn),mercurio (Hg), arsénico (As), etc. Los metales pesados son potencialmente contaminantes devastadores ya que contaminan el aire, el agua y la tierra utilizados por las plantas y los demás eslabones de las cadenas tróficas. Sus efectos en las plantas incluyen: necrosis en las puntas de las hojas e inhibición del crecimiento de las raíces, junto con muchas fatalidades en muchas especias de plantas incapaces de tolerar estos metales. Los sustratos contaminados suelen ser producto del trabajo minero, polución, industria de fundición y chapado, deposito de origen atmosférico de incineradores y tubos de escape de vehículos, uso de fertilizantes y pesticidas, y el deposito de lodos y barros residuales. En el Reino Unido se han identificado aproximadamente 200.000 terrenos contaminados por metales; y en EE.UU. el coste estimado de la limpieza de terrenos contaminados por metales pesados es de $ 7·1 billones utilizando los métodos convencionales.

¿Y afectan sólo a las plantas o también al hombre?

Estos metales no son sólo dañinos para las plantas, sino que se filtran en el sistema de aguas y se introducen en la cadena trófica. En concentraciones pequeñas no suelen tener efectos, pero a medida que se va ascendiendo en la cadena la concentración se va volviendo cada vez mayor. Una tragedia muy conocida es la de la bahía de Minamata, en Japón. Una fábrica de plásticos comenzó a descargar deshechos en la bahía en 1951. En 1953 un millar de personas en Minamata estaban seriamente enfermas. Algunas estaban discapacitadas, otras paralizadas, otras se volvieron ciegas, algunas mentalmente inestables, y otras murieron. La causa dela enfermedad eran los compuestos de mercurio que la fábrica de plásticos echaba en la bahía. Aunque el nivel de mercurio en el agua no era elevado, el mercurio se concentraba en la cadena trófica. El nivel de mercurio en los peces era elevado, y los pescadores y sus familias se contaminaron mediante la consumición de pescado. Otros países han experimentado los resultados de la contaminación por el mercurio.

4.5: LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

Contaminación de la atmósfera por residuos o productos secundarios gaseosos, sólidos o líquidos, que pueden poner en peligro la salud del hombre y la salud y bienestar de las plantas y animales, atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. Entre los contaminantes atmosféricos emitidos por fuentes naturales, sólo el radón, un gas radiactivo, es considerado un riesgo importante para la salud. Subproducto de la desintegración radiactiva de minerales de uranio contenidos en ciertos tipos de roca, el radón se filtra en los sótanos de las casas construidas sobre ella. Se da el caso, y según recientes estimaciones del gobierno de Estados Unidos, de que un 20% de los hogares del país contienen concentraciones de radón suficientemente elevadas como para representar un riesgo de cáncer de pulmón. Véase también Medio ambiente.

Cada año, los países industriales generan miles de millones de toneladas de contaminantes. Los contaminantes atmosféricos más frecuentes y más ampliamente dispersos se describen en la tabla adjunta. El nivel suele expresarse en términos de concentración atmosférica (microgramos de contaminantes por metro cúbico de aire) o, en el caso de los gases, en partes por millón, es decir, el número de moléculas de contaminantes por millón de moléculas de aire. Muchos contaminantes proceden de fuentes fácilmente identificables; el dióxido de azufre, por ejemplo, procede de las centrales energéticas que queman carbón o petróleo. Otros se forman por la acción de la luz solar sobre materiales reactivos previamente emitidos a la atmósfera (los llamados precursores). Por ejemplo, el ozono, un peligroso contaminante que forma parte del smog, se produce por la interacción de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno bajo la influencia de la luz solar. El ozono ha producido también graves daños en las cosechas. Por otra parte, el descubrimiento en la década de 1980 de que algunos contaminantes atmosféricos, como los clorofluorocarbonos (CFC), están produciendo una disminución de la capa de ozono protectora del planeta ha conducido a una supresión paulatina de estos productos.