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1 El presente es un documento de trabajo elaborado para el estudio Estado del Arte y Prospectiva de la Ingeniería en México y el Mundo, realizado por la Academia de Ingeniería de México con el patrocinio del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. La información así como las opiniones y propuestas vertidas en este documento son responsabilidad exclusiva del autor. La Academia y el autor agradecerán las sugerencias y comentarios de los lectores para mejorar su contenido y las omisiones en que se haya incurrido en su elaboración. El presente trabajo está protegido por derechos de autor.

2 Estado del Arte y Prospectiva de la Ingeniería en México y el Mundo Un Atisbo al Pasado, Presente y Futuro de la Ingeniería Química M. C. Enrique Aguilar Rodríguez, Presidente de la Comisión de Ingeniería Química de la Academia de Ingeniería de México En conmemoración del 60 Aniversario de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) del IPN y el 50 Aniversario del Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos (IMIQ) 2

3 Contenido 1 El Pasado Remoto 2 El Origen y el Pasado 3 Una Perspectiva de la Evolución de la Ingeniería Química 4 El Presente 5 Los Retos y el Futuro 6 La Sustentabilidad como nuevo Paradigma de la Ingeniería Química del Siglo XXI 7 Una Nueva Estructura para la Ingeniería Química Epílogo Enrique Aguilar Rodríguez

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5 Para que tú me oigas, mis palabras se adelgazan a veces, como las huellas de las gaviotas en las playas. Y me oyes desde lejos, y mi voz no te alcanza: déjame que me calle con el silencio tuyo. Déjame que te hable también con tu silencio claro como una lámpara, simple como un anillo. P. Neruda Para Silvia, en su dolor. Enrique Aguilar Rodríguez i

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7 Un Atisbo al Pasado, Presente y Futuro de la Ingeniería Química Enrique Aguilar Rodríguez 1. EL PASADO REMOTO El Hombre es el homo faber, el animal que construye herramientas. Éstas le han permitido subsistir y compensar su débil naturaleza física y en general, hacer más digna su vida. Cuando elabora un proceso sistemático para construir estas herramientas se conforma lo que llamamos tecnología, la que una vez establecida como práctica común, se convierte en ingeniería. La creación de la tecnología y la ingeniería se encuentra en la profundidad de la naturaleza humana, que impulsa al hombre a resolver problemas, pero a diferencia de otras especies, en forma eficaz e intencionada. En su evolución, el hombre resuelve problemas en orden de creciente especificidad, es decir, encuentra y resuelve problemas cada vez más específicos y de mayor complejidad, para encontrar soluciones que evolucionan con un sentido de mejora incesante y con una aspiración de perfección. La tecnología además, le permite al hombre dar valor económico al conocimiento. La tecnología y la ingeniería, convertidas en un bien, un producto o un servicio, se transforman en innovación, y se introducen al mercado con generación de valor. La tecnología y la ingeniería, le dan entonces sentido práctico al conocimiento, que sin éstas, queda en teoría, en descubrimiento, en encuentro y contemplación de la naturaleza. El hombre construye herramientas con diversos propósitos: originalmente para subsistir, después para alargar su vida y lograr mayor confort, después para dominar a otros. Con un sentido idealista, Tomás Moro en su obra Utopía, escrita en 1516, describe la capacidad del hombre para crear un mundo perfecto, con el apoyo de la tecnología, en el que todos los hombres son iguales y mantienen una relación idílica con su entorno natural. 1 1 Utopía, Tomás Moro, Ed.Elaleph, 2003 Enrique Aguilar Rodríguez 1

8 La Isla Utopía 2 Ingeniería proviene del vocablo latino ingenerare, que en lengua inglesa apareció por primera vez como engineering, la cual combina dos palabras: engine (máquina) e ingeniuos (ingenio); la raíz latina original significa aproximadamente ingeni{rselas para hacer algo útil ; con estos elementos, la definición más aceptada de ingeniería es: El arte profesional de aplicar la ciencia a la transformación óptima de los recursos de la naturaleza en beneficio de la humanidad 3. Engine Ingeniería (Engineering) Ingenerare Ingeniárselas para hacer algo útil Ingenious El arte profesional de aplicar la ciencia a la transformación óptima de los recursos de la naturaleza en beneficio del la humanidad El concepto de Ingeniería 2 Biblioteca Agustana, edición de Encyclopaedia Brittanica, Ed Enrique Aguilar Rodríguez

9 La ingeniería, aún sin una definición formal, se origina en épocas inmemoriales, con dos grandes ramas: la ingeniería militar (para destruir), y para diferenciarse de ella, la ingeniería civil (para construir). Más allá de sus objetivos, ambas parten de conocimientos comunes, como la resistencia de los materiales, el beneficio de los metales, la estática, la dinámica y la hidráulica. Para el dominio de estos temas, todos los ingenieros requerían ya el conocimiento de las ciencias básicas como matemáticas, física y alquímica, entendida como la química con bases empíricas, y un método experimental de ensayo y error todavía muy rudimentario. Es hasta mediados del siglo XVIII, en 1747, que se ofrece la formación de ingenieros civiles en la Escuela de Puentes y Caminos en Francia y 20 años después, en 1767, la carrera de ingeniería mecánica, como resultado de la invención de la máquina de Vapor de James Watt en Escocia. Pasa un gran periodo de tiempo en que las ingenierías civil y mecánica son las que se involucran en todos los desarrollos surgidos hasta bien entrado el siglo XIX, tales como las máquinas térmicas y el diseño y la fabricación de elementos metálicos para las máquinas surgidas en la Revolución Industrial en Inglaterra. Con la Revolución Francesa en 1789, surgen las demandas de igualdad, que en términos prácticos significaba dignificar la vida humana; aparece entonces la necesidad de sustituir la fuerza bruta del hombre por m{quinas, que se desarrollan rápidamente. Es en ese momento que nace el concepto de motor, entendido éste como el dispositivo que permite transformar el calor en movimiento. No es casual entonces que en 1824, Carnot publique su gran obra Reflexions sur la puissance motrice du feu (Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego) que sienta las bases teóricas de la conversión del calor en movimiento, los ciclos termodinámicos y la segunda ley, que son el fundamento del desarrollo de las máquinas de vapor y los motores a combustible, y prepara las bases de lo que será más tarde la termodinámica, cimiento fundamental de la futura ingeniería química. En sus inicios, el calor primario requerido por el motor se generaba a partir del carbón, que producía vapor y éste movimiento, tal como lo concibió el mismo Watt en Escocia. Más tarde, gracias a la invención del motor de combustión interna por Otto en 1876, y perfeccionado por Rudolf Diesel en 1892, se tienen nuevos elementos generadores de calor primario, que son dos fracciones líquidas del petróleo, no utilizadas hasta entonces: la gasolina y el diesel. Este hecho establece un hito en la historia de la energía y los motores. Enrique Aguilar Rodríguez 3

10 Carnot y su obra magistral de 32 páginas: Reflexions sur la puissance motrice du feu CALOR MAQUINA MOVIMIENTO 1825 Carbón LA MAQUINA DE VAPOR Combustión 1876 Gasolina y Diesel EL MOTOR A COMBUSTIBLE El uso de la Gasolina y el Diesel como hito histórico en el uso de la energía 4 Enrique Aguilar Rodríguez

11 1892 Rudolf Diesel y su motor de 2 tiempos Después de que Edison encuentra importantes aplicaciones de la electricidad, a través de su f{brica de inventos, establecida en 1876 en los Estados Unidos, surgen dos nuevas disciplinas centrales de la ingeniería, la eléctrica y la electrónica, por esa misma época. 2. EL ORIGEN Y EL PASADO La Ingeniería Química surge a finales del siglo XIX, en 1888, como una respuesta natural a las necesidades de la tecnología que se desarrollaba en ese momento y que revolucionaría a la sociedad mundial: la del motor de combustión interna y los combustibles, que iniciarían la era del automóvil. La Ingeniería Mecánica, creada oficialmente en Francia, más de 100 años antes, no tenía respuesta para cuatro preguntas fundamentales de ese momento: (1) Cómo identificar los componentes del petróleo, sus propiedades físicas y químicas y su comportamiento a diversas condiciones (2) Qué sucede dentro del motor de combustión interna y qué lo provoca (3) Cómo procesar (separar) fracciones del petróleo en grandes volúmenes y en forma continua (4) Cómo diseñar los equipos de proceso cuando se realizan en ellos transformaciones físicas y químicas Enrique Aguilar Rodríguez 5

12 Estas tendrían que ser contestadas por una nueva profesión. Ya en 1880 en Inglaterra, George E. Davis, un inspector de plantas industriales, fue el primero en establecer públicamente la necesidad de fundar una nueva rama de la ingeniería y después, en 1887, ofrecer 12 cursos sobre la operación de los procesos químicos ; convoca a la formación de una nueva profesión: la Ingeniería Química, en la Universidad de Manchester, Inglaterra, en En 1901 escribe el Handbook of Chemical Engineering considerado como el primer texto de la profesión. Simultáneamente en 1888, el norteamericano Lewis M. Norton, ofrece el primer programa de cursos de Ingeniería Química, de 4 años, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) EUA. Es por esto que el año de 1888 es considerado universalmente como el de la fundación de la Ingeniería Química. Para Construir: Ing. Civil Ing. Aeronáutica Ingeniería Ing. Eléctrica y Electrónica Ing. Química Aviación por los Hermanos Wright, EUA Máquinas a combustible y Automóvil en serie, Inglaterra y EUA Para Destruir: Ing. Militar Ing. Mecánica Después de los trabajos sobre electricidad por Edison en Estados Unidos Ing. Civil Escuela de Puentes y Caminos, Francia Máquina de Vapor por James Watt, Escocia Origen de las Ingenierías Centrales Sin embargo, tiene que pasar más de un cuarto de siglo, para que la profesión adquiera su consolidación, teniendo como pilar fundamental a Arthur D. Little, quien introduce el concepto de Operaciones Unitarias en el MIT en 1915, y que por su importancia se enuncia a continuación, tal como él lo describió: Cualquier proceso químico, a cualquier escala, puede ser comprendido a través de una serie de lo que podemos llamar Operaciones Unitarias, como pulverización, secado, cristalización, filtración, evaporación y otras. El número 6 Enrique Aguilar Rodríguez

13 de Operaciones Unitarias no es muy grande y relativamente pocas de ellas se encuentran en un proceso particular 4. En un histórico documento, Arthur D. Little señala que la Ingeniería Química no es una mezcla de química e ingeniería mecánica, sino una ciencia por sí misma, cuya base la conforman las Operaciones Unitarias, que en su propia secuencia y coordinación, constituyen un proceso químico, tal como se realiza a escala industrial 5 Así queda bien establecida nuestra profesión, que hoy en día, según la descripción más aceptada en el mundo, la del American Institute of Chemical Engineers (AIChE), se define como: La profesión en la cual el conocimiento de las matemáticas, la química y otras ciencias básicas, obtenido por el estudio, la experiencia y la práctica, es aplicado con juicio para desarrollar rutas económicas en el uso de los materiales y la energía, para beneficio de la humanidad 6. En términos del objeto de estudio, y haciendo una analogía de fácil comprensión, el cuerpo humano es al médico, lo que la planta química es al ingeniero químico; para el primero, su propósito o razón de ser es preservar o recuperar la salud; para el ingeniero químico lo es obtener productos transformados fisicoquímicamente, con una alta rentabilidad de la planta en sus diferentes fases de ejecución (ingeniería, diseño, etc.). En la siguiente tabla se expresa esta idea. Sujeto Objeto de Estudio Propósito Médico El Cuerpo Humano La Salud Ingeniero Químico La Planta Química Generar productos en forma rentable y competitiva, con cumplimiento de restricciones de sustentabilidad 4 A.D. Little, Reporte al Presidente del Massachusetts Institute of Technology (MIT), A.D. Little, Reporte al Presidente del Massachusetts Institute of Technology (MIT), htpp// Enrique Aguilar Rodríguez 7

14 Si el objeto de estudio del ingeniero químico es la planta química, es necesario tener una completa perspectiva de qué conceptos o actividades se requiere dominar para que ésta exista. Estos conceptos se muestran en la siguiente figura. La Planta Química de Proceso Administración Ingeniería Económica y Finanzas Preservación del Ambiente y la Seguridad Sustentabilidad Educación Investigación Tecnología e Innovación Diseño: Ingeniería Básica Diseño: Ingeniería de Detalle Procura Construcción Operación y Mantenimiento Las actividades del Ingeniero Químico en una Planta de Proceso Las actividades verticales son especialidades secuenciales que se requieren de la ingeniería química, para construir y opera una planta química y son: la educación, la investigación, la tecnología y la innovación, la ingeniería básica y de detalle, la procura, la construcción y la operación/mantenimiento de la instalación. Los conceptos horizontales, son conocimientos de tipo general, que los ingenieros químicos de todas las especialidades deben dominar para hacer su trabajo en forma eficiente y de acuerdo a los grandes objetivos de rentabilidad económica, organización eficiente y preservación del ambiente y la sustentabilidad del proceso. La ingeniería química es resultado de una larga historia de la búsqueda del hombre, desde sus orígenes, por transformar los recursos que le ofrece la naturaleza en substancias o materiales que lo beneficien. Sin embargo puede considerarse que el nacimiento de la industria química con procesos de tipo industrial y a mayor escala, tal como los conocemos hoy, se originó con 2 importantes procesos: (1) el proceso de producción de ácido sulfúrico, aplicado por primera vez a escala industrial en 1736 por el farmacéutico inglés, Joshua Ward y (2) el proceso de Le Blanc, en 1790 para la 8 Enrique Aguilar Rodríguez

15 producción de detergentes sintéticos, a partir de soda ash (bicarbonato de sodio), que mejorado por Solvay en 1864, estableció un hito tanto desde el punto de vista del entendimiento de los procesos de reacción y de separación a escala industrial, como del impacto en la limpieza e higiene personal. Otro gran salto en la industria de procesos, antes de la ingeniería química, lo representa la invención del evaporador de triple efecto por Rillieux, que nacido en Nueva Orleans, se interesó en cómo disminuir los altos consumos de energía del viejo proceso de concentración de la caña. Con la aplicación del concepto de calor latente, o la energía térmica para convertir un líquido en vapor, y gran talento para el diseño mecánico de equipos, logró utilizar el bagazo de la caña como combustible y con sus sistema de 3 etapas, obtener un azúcar de mucho mayor calidad, y aumentar las ganancias del proceso en más de 70% 7. Durante su desarrollo, la Ingeniería Química ha sido pilar de la sorprendente evolución tecnológica que se da a partir del siglo XX, alrededor del procesamiento del petróleo, la producción de combustibles, petroquímicos y productos químicos para la salud y el confort del hombre y del medio que lo rodea. Quizá el primer proceso industrial desarrollado desde su ingeniería conceptual hasta su construcción y operación, con el enfoque de la ingeniería química moderna, sea el proceso Haber-Bosch para la síntesis del amoníaco. Haber, uno de los químicos más talentosos en la historia de Alemania, desarrolla un estudio riguroso de la química y la termodinámico de la reacción de síntesis, y encuentra que es necesario operar a muy altas presiones y temperaturas, del orden de 200 kpa y 500 C, que nunca antes se habían logrado simultáneamente a escala industrial. Desarrolla la teoría cinética de la reacción, realiza el diseño del equipo y la fabricación de los empaques para los recipientes a presión (todavía no se conocía el hule); este último aspecto requirió años de trabajo y pruebas y fue el cuello de botella para la comercialización del proceso. Por este desarrollo, que permitió la elaboración de fertilizantes sintéticos y evitó la hambruna en muchas regiones del mundo, Haber recibió el Premio Nobel en 1918, el cual le fue retirado posteriormente por las protestas surgidas porque también fue el descubridor, y llevó a cabo la aplicación del gas pimienta en la 1ª. Guerra, que provocó la muerte de un gran número de personas. Haber es la personificación de la visión que la sociedad ha tenido de la química a lo largo de la historia; por un lado benefactor del progreso y por otro depredador del medio y la naturaleza. 7 Introduction to Chemical Processes, Murphy, R. Mc Graw Hiil, 2007 Enrique Aguilar Rodríguez 9

16 Durante el periodo comprendido entre la 1ª. y la 2ª. Guerra Mundial, se desarrollan conocimientos muy relevantes en el campo del petróleo y la petroquímica (en el cual los ingenieros químicos son los actores centrales) con el advenimiento de procesos catalíticos para producción de más gasolina en las refinerías (proceso de craqueo catalítico fluido) y de gasolinas sintéticas, lo que permite profundizar en la comprensión de los mecanismos de reacción y el rol de los catalizadores en química orgánica, destacando el proceso de síntesis de Friedel-Crafts, con el que se inician los nuevos procesos de síntesis a partir de olefinas y aromáticos, y que desemboca en el descubrimiento y producción masiva de polímeros para plásticos, hules y telas sintéticas, en la década Con la misma base conceptual del proceso Friedel- Crafts, en 1953 se inventa el proceso de producción de detergentes sintéticos (alquilaromáticos), que se logran producir en forma masiva y económica, y son un gran paso en el mejoramiento de la salud pública de la humanidad. La incursión de la ingeniería química en el descubrimiento de medicamentos, se inicia alrededor de 1925 con la producción de insulina, de la vacuna antituberculosis y de la penicilina, y en épocas más recientes la píldora anticonceptiva que revoluciona al mundo y permite amortiguar la tasa de crecimiento poblacional que a mediados del siglo XX fue un factor de primera importancia en el desarrollo de la sociedad mundial. El descubrimiento del DDT (diclorodifeniltricloroetano), por el suizo Paul Hermann Müller en 1939, como insecticida organoclorado sintético de amplio espectro, acción prolongada y estable, aplicado en el control de plagas para todo tipo de cultivos desde la década del cuarenta, salvo la vida de una gran cantidad de personas principalmente en el sudeste asiático; más tarde se encontraron efectos secundarios de esta substancia, que finalmente la hizo desaparecer del mercado; pero en su tiempo fue un elemento de gran impacto en la salud pública en el mundo. El desarrollo y progreso de la industria química moderna no ha sido fácil ni ha estado exenta de obstáculos. En el último tercio del siglo XX y con la expansión de los medios masivos de comunicación, surge una gran preocupación por los efectos adversos en el uso de los combustibles fósiles y la producción de substancias químicas y petroquímicas. La presión social obliga a los gobiernos a emitir leyes, normas y reglamentos ambientales, liderados por los Estados Unidos, con la creación en 1970 de la Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA). Por primera vez en la historia, se establecen restricciones formales y legales en todo el mundo para la operación de la industria química. En forma simultánea, y como resultado de la Guerra del Golfo en el Medio Oriente en 1973, se eleva casi 20 veces el 10 Enrique Aguilar Rodríguez

17 costo del petróleo (y por lo tanto de la energía que requiere la industria) que pasa de 3 hasta 50 dólares/barril. Estos dos elementos establecen un nuevo paradigma para la ingeniería química: producir para optimizar las utilidades, pero con mayores costos de la energía y restricciones ambientales en cuanto a las emisiones y la calidad de los productos industriales. Retos formidables en su tiempo, que modificaron la estructura de la ingeniería química, haciendo énfasis, a partir de entonces, en el ahorro de energía, el diseño y el control óptimo de procesos, la introducción de procesos de producción de combustibles más limpios y el diseño y fabricación de productos químicos más amigables con el ambiente, así como nuevos procesos para el tratamiento de efluentes y de mitigación del impacto ambiental de las operaciones. Esta tendencia se mantuvo a lo largo de los últimos años del siglo XX. DDT- Teflón Formación de BASF, Bayer y Hoescht a partir de L.G. Farben Reformación Catalítica y Alquilación (Friedel Crafts) para gasolina de alto octano Primera llanta de hule sintético (SBR) Anticonceptivos (talidomida) Hidrógeno a gran escala Detergentes Sintéticos Craqueo Catalíítico de Petróleo- Polietileno-Nylon-Neopreno Producción de Insulina, vacuna antituberculosis y penicilina Producción de Acido Nítrico- Amoníaco- Poliestrireno y Acrílicos Craqueo Térmico de Petróleo Proceso Haber-Bosch (amoníaco) - Baquelita y Rayón II Guerra Mundial Descubrimiento y producción de la aspirina Ciclo Otto-Motor a gasolina-automóvil 4 ruedas Petróleo y Automóviles Producción de bicarbonato de sodio (Solvay) y celuloide (Parkes) Primera Refinería de petróleo(1 barril) Berzelius publica su Teoría General sobre la Catálisis Whöler sintetiza la úrea, primer compuesto orgánico artificial Carnot publica Reflexions sur la Pussance Motrice du Feu, base de la Termodinámica Producción de Acido Sulfúrico y Detergentes por LeBlanc Enrique Aguilar Rodríguez 11

18 - Movimientos hacia la Sustentabilidad Mundial y Regional Tendencia a Cero emisiones y Seguridad en instalaciones Biocombustibles y otros Nueva Tecnología Automotriz (Híbridos) Modernización más que nuevas plantas químicas Nuevos materiales y Nanotecnología - Internet - Explosión Demográfica - Globalización Proyecto del Genoma Humano Nuevos procesos para gasolina reformulada (oxigenados, alquilado e isómeros) Convertidores Catalíticos en autos - Prohibición del cloroformo, plomo en gasolina y fluorocarbones Crisis de Medio Oriente, altos precios del petróleo Creación de la Environmental Protection Agency (EPA) en EUA Clean Air Act y Clean Water Act Producción de nuevas medicinas sobre diseño Crisis del Petróleo y Movimientos Ambientales Los hitos en la evolución de la industria química En México, la Ingeniería Química hizo raíces muy pronto. En 1916, por Decreto Presidencial del entonces Presidente de la República, Venustiano Carranza, se crea la Escuela Nacional de Industrias Químicas que en febrero de 1917 se incorpora a la UNAM (hoy Facultad de Química). Coincidentemente con la necesidad de expertos en la industria petrolera recién nacionalizada, en 1941 se inicia la carrera de Ingeniería Química en el Politécnico Nacional, en la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA ). En 1948 nace la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) del Politécnico con las carreras de Ingeniería Química Industrial, Petrolera y Metalúrgica. La Universidad Autónoma Metropolitana inicia operaciones en 1974, con la carrera de Ingeniería Química en 2 de sus campuses. Hoy en día existen 164 escuelas en México que ofrecen la carrera, bajo diversas modalidades. El Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos se crea en 1958, hace precisamente 50 años. En 1938 a raíz de la nacionalización del petróleo, los ingenieros químicos son actores centrales ante el desafío de mantener operando eficientemente las plantas de procesamiento, lo cual lo logran con éxito. En los años 50 s, las operaciones de Pemex son lideradas por ingenieros químicos, dirigidos por César O. Baptista y Héctor Lara 12 Enrique Aguilar Rodríguez

19 Sosa. En 1950 se instala la primera planta de amoniaco sintético en Guanos y Fertilizantes de México, Fertimex. En 1957 se crea el Fierro Esponja desarrollado por Hylsa con tecnología mexicana y por mexicanos. En 1964, Luis Miramontes Cárdenas, inventa la píldora anticonceptiva en México, que fue elegida por el Departamento de Patentes de los Estados Unidos de América, como uno de los 40 inventos más importantes registrados entre 1794 y El nombre de Luis Miramontes apareció al lado de Pasteur. Edison, Bell, los Hermanos Wright y otros de igual talla, quedando incluido en el "USA Inventors Hall of Fame". En 1965 se crea el Instituto Mexicano de Petróleo (IMP), que cuenta hoy en día con más de 150 patentes internacionales y tecnologías de proceso propias de producción, refinación y petroquímica y que ha participado en la ingeniería básica y de detalle de una gran cantidad de plantas de refinación, de procesamiento de gas y de petroquímica, así como en la formación de expertos científicos, tecnólogos e ingenieros para la industria petrolera. Desde su fundación es el brazo tecnológico de Pemex. Ha sido dirigido principalmente por ingenieros químicos, destacando José Luis García-Luna, Fernando Manzanilla, Víctor Alcérreca y Francisco Barnés. En los 70 s se desarrolla una importante capacidad de ejecución de ingeniería básica y de detalle así como de procura y construcción de plantas industriales, destacando empresas como Bufete Industrial dirigida por Rafael Pardo Gradison, José Mendoza y Ernesto Ríos Montero. En los 70 s y 80 s los ingenieros químicos fuimos conductores de la gran expansión de la industria petrolera y petroquímica, que nos permitió ejecutar, con una alta integración de personas y equipos, los proyectos de ingeniería básica y de detalle, de fabricación de equipo y de construcción, para poner en marcha 3 nuevas refinerías y, a principios de los 80 s, los centros procesadores de gas así como los centros petroquímicos en el sureste del país, de vanguardia en su momento e integrados en cadenas productivas armónicas, a una eficiente industria petroquímica y química nacional. El éxito en este desarrollo industrial, asombró al mundo y perdura en la memoria histórica y la conciencia social de los mexicanos. La contribución de los ingenieros químicos mexicanos al bienestar del país ha sido muy amplia: desde los grandes profesores como Estanislao Ramírez, Alberto Urbina, Alberto Bremauntz, Jesús Avila, Ernesto Domínguez, Armando Patiño, Alejandro Anaya y Estelio Baltazar; los líderes en educación superior, como Ramón de la Peña, Rector del Instituto Tecnológico de Monterrey; Francisco Barnés, Rector de la Enrique Aguilar Rodríguez 13

20 Universidad Nacional; y Enrique Villa, Director General del Instituto Politécnico Nacional; los desarrolladores de la naciente industria petrolera nacional, como César Baptista, Héctor Lara Sosa y Carlos López Mora; los ingenieros que consolidaron el crecimiento como José Luis García Luna, Alberto Celestinos, Enrique Vázquez, Federico Ortíz, Leopoldo Rodríguez, Jaime Lomelí y muchos otros; y nuestros investigadores y tecnólogos como Luis Miramontes Cárdenas y desde luego, Mario Molina Enríquez. Ellos y muchos otros, que han sido artífices del desarrollo de la industria química nacional. Como sabemos, en los tiempos más recientes, un ingeniero químico mexicano, egresado de la Facultad de Química de la UNAM, el Dr. Mario Molina, se hizo acreedor al Premio Nobel de Química en 1995, al exponer la teoría de cómo ciertos químicos elaborados por el hombre, pueden llegar a la capa de ozono que protege a la Tierra de los rayos ultravioletas del sol, y con ello provocar daños impredecibles a la humanidad. 3. UNA PERSPECTIVA DE LA EVOLUCIÓN DE LA INGENIERÍA QUÍMICA Encuentro 4 etapas básicas de la Ingeniería Química, cada una con objetivos muy bien determinados y herramientas también específicas que corresponden a las necesidades de cada época: 1ª. Epoca: La Química Industrial (de los inicios del siglo XVIII hasta 1915) En la que se estudian procesos y construyen plantas de gran escala para productos básicos requeridos por otras industrias o de consumo directo. El conocimiento es muy específico para cada industria y no hay interacción entre ellas, ni en conceptos, ni conocimientos aplicados al diseño ni a la operación. Cada industria se consolida sola. Los ejemplos m{s distintivos son los procesos de producción de {cido sulfúrico a partir de azufre, el de detergentes sintéticos a partir de soda ash y el de producción de gasolina a partir del petróleo crudo. La mayor aportación de esta época es el diseño y construcción de equipos de gran escala, la operación de procesos en forma continua y el conocimiento no sólo del cómo sino el porqué de los procesos en términos físicos y químicos. 2a. Epoca: Las Operaciones Unitarias ( 1915 a 1960) 14 Enrique Aguilar Rodríguez

21 Después del postulado de las Operaciones Unitarias, los procesos se visualizan en forma más conceptual y generalizada; se establece que todos los procesos incluyen: (1) un módulo de preparación de materias primas, (2) un módulo de reacción, (3) un módulo de separación, y (4) recirculaciones. Se busca el dominio de materias básicas como termodinámica, equilibrio de fases y químico y operaciones unitarias básicas, como flujo de fluidos, transferencia de calor, destilación, absorción, etc. Esta concepción conforma la estructura de enseñanza de la ingeniería química, la cual subsiste en gran proporción hasta nuestros días. 3a. Epoca: La Ciencia de la Ingeniería Química (1960 a 1980) En 1960 aparece un texto revolucionario de ingeniería química sobre un nuevo enfoque, más microscópico y matemático de visualizar los procesos de transferencia de momentum, calor y masa, tanto en estado continuo como discontinuo. Los profesores de la Universidad de Wisconsin-Madison, EUA, R.B. Bird, W.E. Stewart y E.N. Lightfoot publican en 1960 el libro Fenómenos de Transporte, dos años después de haber publicado sus notas en mimeógrafo del curso, así llamado también, durante Los ingenieros químicos, manteniendo la visión de Operaciones Unitarias, son capaces entonces de obtener modelos más fenomenológicos de los procesos. Adicionalmente se desarrolla conocimiento en termodinámica, más específico para la ingeniería química, como son las ecuaciones de estado, el equilibrio multicomponente y la predicción de propiedades termofísicas de las substancias; además la ingeniería de reactores y la catálisis se convierten en disciplinas menos empíricas y más formales en su tratamiento y aplicación. Aparecen las máquinas calculadoras de alta velocidad, las computadoras y los sistemas robustos de software para la simulación, el diseño y el control de procesos. Se establece un maridaje casi perfecto entre el conocimiento más profundo de los fenómenos y equipos de proceso, y la capacidad de las computadoras para resolver los modelos mucho más complejos obtenidos de una visión más rigurosa de los procesos y las plantas químicas. Es posible la optimización en las diferentes etapas de un proyecto, desde el diseño básico hasta el control y la operación en línea. 4a. Epoca: La Ingeniería Química y la Micro y Macro escala (1980 a 2008) En éste periodo se encuentra un gran desarrollo en los sistemas de medición y en la búsqueda, desarrollo y síntesis de nuevos materiales a nivel microestructural e inclusive átómico, a escalas nanométricas (una millonésima de milímetro o 10-9 metros). Esto ha permitido que la ingeniería química se desarrolle con una visión de Enrique Aguilar Rodríguez 15

22 microescala, para interpretar los fenómenos a nivel molecular y atómico, que permiten lograr una óptima operación de los procesos. Se encuentran nuevos catalizadores estructurados que permiten que los procesos sean menos severos en sus condiciones de operación y mucho más eficientes y selectivos en las transformaciones químicas. Los ingenieros químicos incursionan en la medicina con substancias nano que prometen, y ya se ensayan con mucho éxito, tratamientos no invasivos del cáncer e inclusive para su cura 8. Estamos muy probablemente en la antesala de descubrimientos asombrosos para el tratamiento de enfermedades hasta hoy incurables, con la participación fundamental de los ingenieros químicos, quienes deben tener en lo sucesivo, una visión más fundamental de los procesos, e involucrarse en aspectos de física, química y biología, que en el pasado parecían ajenos e innecesarios. Por otro lado se demanda de los ingenieros químicos la solución a los problemas ambientales del planeta, lo que los obliga a trabajar también en una macroescala, muy por arriba de las dimensiones de tiempo y espacio manejadas en las plantas químicas. Se requiere medir, modelar y proponer soluciones para la emisión de gases a la atmósfera, para medir y neutralizar la presencia de gases invernadero, así como medir y generar teorías alrededor del cambio climático. El planeta visto por los ingenieros químicos, como un gran reactor químico complejo. Es quizá el manejo de las dimensiones espacio y tiempo, lo que diferencia y hace distintivas a las diferentes etapas de la ingeniería química. Mientras que bajo el concepto de Operaciones Unitarias se estudian los sistemas en metros y segundos, en la microescala se estudian en millonésimas de milímetro y de segundo; y en la macroescala en miles de kilómetros y de años. La ingeniería química estudiará los fenómenos en esa amplia banda. El mundo infinito y las partículas más elementales. 8 Davis, M.E. California Institute of Technology. Sesión Plenaria The Rise and Realization of molecular Chemical Engineering, AIChE Centennial Meeting, Philadelphia, USA, November 19, Enrique Aguilar Rodríguez

23 1900 Siglo XVIII Química industrial 1915 Azufre Sal de Mar Petróleo Operaciones Unitarias Acido Sulfúrico Soda Ash (Detergentes) Gasolina Reciclo Materias Primas Preparación Reacción Separación Agitación Mezclado etc. Catálisis Intercambio de Calor Combustión Destilación Extracción Absorción etc. Productos Subproductos Efluentes 1950 Ciencia de la Ingeniería Química Termodinámica Dinámica Fluídos Cinética Control Computación Equilibrio de Fases - Transferencia de Masa -Microestructuras Fenómenos Transporte Catálisis Reactores Cinética Superficies Teoría Control Optimización Simulación Modelamiento CAD 1980 Ingeniería Química y la Micro y Macro Escala Nanomateriales Ingeniería Molecular Biofenómenos Modelado Macro - Catalizadores Estructurados - Diseño a nivel atómico de materiales Microestructuras - Física molecular Transporte - Bioquímica - Toxicología - Ciclos de vida La Tierra como un reactor químico 2008 Las Épocas de la Ingeniería Química y sus núcleos conceptuales Enrique Aguilar Rodríguez 17

24 segundos Sistemas de la Ingeniería Química Operaciones Unitarias Ambiente catálisis Química de reacciones Dinámica de Fluídos Termodinámica 10-9 Ingeniería molecular cinética Transporte metros El manejo de la dimensión Espacio-Tiempo en los sistemas de la Ingeniería Química metros La proporción del diámetro de la Tierra al balón es la misma que la del balón al de un compuesto nanoestructurado 18 Enrique Aguilar Rodríguez

25 4. EL PRESENTE Es interesante presentar los resultados de una encuesta elaborada por el AIChE en 2005, en la que se identifican las 10 aportaciones más relevantes de la Ingeniería Química a la humanidad. Éstas son: 1 Las separación de los átomos y sus isótopos La producción de polímeros plásticos El conocimiento de las funciones La producción masiva y del cuerpo humano y elaboración económica de antibióticos de herramientas y órganos artificiales 5 La producción de fibras y telas sintéticas La producción de oxígeno puro y otros compuestos del aire 7 8 Los procesos y sistemas para el Los fertilizantes y el cuidado del ambiente procesamiento de alimentos Producción de combustibles y La producción de hules sintéticos petroquímicos a partir del petróleo y el gas natural Las 10 aportaciones más relevantes de la Ingeniería Química a la Humanidad Al observar estos conceptos, y haciendo un ejercicio de imaginación, no se concebiría a la humanidad, como es hoy, sin estas grandes contribuciones, que junto con muchas otras, han conformado en gran medida la forma y calidad de vida que hoy tenemos. Así se inicia el Siglo XXI, con una revolución tecnológica de muchas dimensiones que trastoca en sus cimientos, la vida humana, las relaciones individuales y entre países, así como los elementos tecnológicos de que dispone el hombre para conformar una nueva sociedad. Quizá el signo más distintivo del inicio de este periodo es el uso intensivo de tecnologías de comunicación e información, que llega a cada vez mayores núcleos de la población y forma parte de su vida cotidiana. Desde el punto de vista económico, surgen las fusiones de grandes corporaciones mundiales, destacando las de la industria química y petroquímica, como la de Exxon Mobil, BP- Amoco y Conoco-Phillips. Enrique Aguilar Rodríguez 19

26 Surge una gran preocupación por el calentamiento global provocado por las emisiones de gases invernadero (principalmente por el CO2), generadas por el uso de combustibles fósiles en la producción de energía. Hay gran inquietud social por el aumento de la pobreza y la conformación de grandes núcleos de población marginados del desarrollo económico y tecnológico así como por la concentración de la riqueza en muy pocas manos, sobre todo en corporaciones transnacionales que poseen tanto los recursos financieros y tecnológicos como el control de los mercados. En este ambiente, aparecen movimientos sociales y corporativos preocupados por la declinación de los recursos naturales y el deterioro ambiental del planeta, que amenaza ya la satisfacción de las crecientes necesidades y demandas de una población más informada. Desde finales del siglo XX surgen pensadores que plantean la necesidad de establecer bases con visión de largo plazo para el desarrollo social y particularmente para el consumo de los recursos naturales, la producción y consumo de energía y el cuidado de la salud y la vida en el planeta 9. Este movimiento desde su inicio tiene un carácter mundial, ya que surge de la convicción de que las soluciones parciales establecidas a nivel regional o por países, no son suficientes para garantizar un desarrollo armónico y de largo plazo. En particular la ingeniería química enfrenta los retos que tienen que ver ahora con la producción de energía y productos sin daño ambiental, económico o social, con la necesidad de mantener a la industria como un elemento generador de riqueza económica y de procesos químicos integrales con responsabilidad social. Hoy en día, y en forma definitiva a partir del Siglo XXI, surgen importantes movimientos sociales y corporativos hacia la sustentabilidad, inducidos por la percepción de una fuerte alteración climática del planeta, cuya manifestación más cercana es el calentamiento global y por contar hoy en día con información abierta, rápida y global. Se ha generado así una preocupación más amplia y a nivel mundial, sobre el paradigma de la Sustentabilidad del planeta, que de acuerdo a la definición del Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE) se define así: La Sustentabilidad es un camino de mejora continua, por el cual los productos y servicios requeridos por la sociedad, se producen y entregan cada vez con menos impacto negativo para la Tierra Bakshi, B.R. and Fiskel, J., AIChE J., Vol 49(6), pp , Schuster, D. Institute for Sustainability, AIChE. Conferencia Plenaria La Sustentabilidad, nuevo paradigma de la Ingeniería Química, XLVIII Convención del IMIQ, Octubre, Enrique Aguilar Rodríguez

27 En términos del impacto de este nuevo concepto para la industria química, se requiere operar con aún mayores restricciones en la producción de energía y de productos químicos, lo que está revolucionando nuevamente el enfoque de la ingeniería química. Esto representa nuevos retos como diseñar y operar plantas que mantengan su rentabilidad pero con producción sin daño ambiental, económico y social, no sólo a nivel local sino global, que se traduzca en procesos químicos integrales con operación bajo el concepto de responsabilidad social. En este escenario se desenvolverá la industria química y nuestra profesión, al menos durante la primera mitad del siglo actual. Los indicadores de crecimiento poblacional, de nuevos individuos a los que hay que proporcionar alimentos, energía y productos químicos, son alarmantes; la Organización de las Naciones Unidas (ONU) estima que en el periodo de 1975 a 2025, se duplicará la población mundial, pero en mucho mayor proporción la de los países subdesarrollados, para llegar a más de 8 mil millones de habitantes 11. Población en miles MM Millones 1975 Paises menos desarrollados 2 Se duplica 0 Paises más desarrollados La evolución de la población mundial Se estima también que la cantidad de vehículos en el mundo llegará a mil millones para 2025, concentrándose la tercera parte de ellos, en los Estados Unidos, con un 11 United Nations, World Population Prospects, The 2005 Revision; y estimaciones del Population Reference Bureau, 2005 Enrique Aguilar Rodríguez 21

28 gran efecto adverso, entre otros, el de aumentar formidablemente la emisión de bióxido de carbono Millones Mundial Estados Unidos Año MM Ton Carbono (C) 7,000 Evolución de las Emisiones Mundiales de CO ** 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1, La evolución del número de automóviles y emisiones de CO2 Lo anterior representa una gran presión para el mundo por el incremento en la demanda de combustibles, sobre todo por los pronósticos generalizados de que las reservas mundiales de petróleo llegarán a su pico para el periodo , para después declinar paulatinamente Aguilar E., Rev. IMIQ, Vol 1-2, pp.5-12, Energy Inormation Agency (EIA), EUA, 22 Enrique Aguilar Rodríguez

29 La evolución de las Reservas según la Teoría del Pico del Petroleo 5. LOS RETOS Y EL FUTURO Se observa en retrospectiva, que la ingeniería química ha evolucionado constantemente debido a los retos que se han ido presentando a lo largo de la historia, y que le han impuesto cada vez más restricciones de tipo económico, ambiental, de seguridad, etc. y que le han requerido más profundidad, rigor y eficiencia en sus resultados. En la siguiente figura se ilustran los paradigmas que se han acumulado para la ingeniería química, a lo largo de su historia. Enrique Aguilar Rodríguez 23

30 Mínimas Restricciones En sus inicios, la preocupación de la profesión era producir productos nuevos y combustibles (fines del siglo XIX). Producir Combustibles y Productos Químicos Restricciones Económicas Más tarde surgió la necesidad de eficientar los procesos a fin de producirlos a gran escala y con mayores utilidades (Primera mitad del siglo XX) Optimizar la Rentabilidad de los Procesos Procesar y Controlar las emisiones Establecer Productos y Procesos que aseguren la Sustentabilidad de la Industria Restricciones Ambientales Restricciones para la Sustentabilidad A partir de la segunda mitad del siglo XX surgen las preocupaciones ambientales que generan restricciones para los procesos y productos de la industria química Hoy en día, el paradigma de la Sustentabilidad del planeta es una restricción central en la producción de energía y productos químicos, que está revolucionando el enfoque de la profesión La Evolución de los Paradigmas de la Ingeniería Química Cómo responderá la industria y la ingeniería química a los retos de hoy? Durante el 7º. Congreso Mundial de Ingeniería Química, efectuado en 2005 en Glasgow, Escocia se obtuvo un consenso para definir las áreas más relevantes que atenderá la ingeniería química durante este siglo XXI. Los resultados de ese consenso identificaron las siguientes áreas que atenderán primordialmente los ingenieros químicos del siglo XXI Sustentabilidad La demanda de productos y procesos que se ciñan a los conceptos de la sustentabilidad será un criterio fundamental de la industria química del futuro. Así, deberán atenderse aspectos como el desarrollo de Tecnología Química Sustentable que involucrará tanto a procesos limpios como a productos con mínimo impacto en los seres vivos y su medio ambiente. La Salud, la Seguridad y el Medio Ambiente 24 Enrique Aguilar Rodríguez

31 Tema en el cual la ingeniería química deberá desarrollar nuevos procesos con alto cuidado al ambiente, con mínimos subproductos y prevención de pérdidas, con el apoyo de modelos más estrictos para evaluar el riesgo y la seguridad en las operaciones. Energía, Alimentos y Agua Los ingenieros químicos deberán introducir tecnologías más eficientes de conversión e integración de la energía en los procesos, así como la introducción y utilización de fuentes alternas, que sean abundantes y con propiedades adecuadas para su generación, almacenamiento y distribución, aspectos que hasta ahora son distintivos de los combustibles fósiles. Seguramente será necesario el manejo y uso más racional del agua. Los ingenieros químicos deberán atender la demanda de uso de agua de diversos niveles de pureza, para consumo humano, para riego, para uso industrial y otros. Se desarrollarán nuevos procesos de separación más novedosos y eficientes para purificar este elemento, que será cada vez más valioso y preciado. Para atender una población más creciente y demandante, se desarrollarán nuevos métodos y plantas para el procesamiento de alimentos y bebidas, que minimicen el uso de agentes externos y conserven y mejoren sus características nutritivas y de sabor. El campo de la ingeniería de reactores biológicos y los procesos de separación de sistemas con biomasa, serán nuevas áreas de amplio desarrollo para nuestra profesión. Bioprocesos e Ingeniería de Biosistemas Tradicionalmente los ingenieros químicos se han orientado en forma preferente a los sistemas no vivos, tales como hidrocarburos fósiles, gas natural, catalizadores metálicos, etc. En este siglo será necesario incursionar cada vez más en los procesos que involucran biosistemas, que requerirá un enfoque más riguroso para el manejo de fluidos (líquidos, sólidos, lodos, fermentos), el manejo de catalizadores enzimáticos y/o nanoestructurados y procesos de separación más eficientes y moderados que los tradicionales. Los ingenieros químicos tendremos que acercarnos más al campo de la bioquímica, a la interacción de los sistemas vivos con otros medios y en general a áreas inéditas para nuestra profesión como toxicología, análisis de ciclos de vida y muchos otros relacionados con bioprocesos, bioproductos y biosistemas. Enrique Aguilar Rodríguez 25

32 En el siguiente esquema se presenta un resumen de los conceptos encontrados en el ejercicio de Glasgow. LAS AREAS DE TRABAJO MÁS M S RELEVANTES PARA EL INGENIERO QUIMICO DEL SIGLO XXI SUSTENTABILIDAD SALUD, SEGURIDAD Y MEDIO AMBIENTE ENERGIA, ALIMENTOS Y AGUA BIOPROCESOS E INGENIERIA DE BIOSISTEMAS Tecnología Química Sustentable Procesos Químicos Sustentables Productos Químicos Limpios Procesos Ambientales Prevención de Pérdidas Modelos de Riesgo y Seguridad Tecnologías de Conversión de Energía y Utilización de Fuentes Alternas Manejo y Tratamiento de Agua Procesamiento de Alimentos y Bebidas Ingeniería Bioquímica Fármacos Toxicología 6. LA SUSTENTABILIDAD COMO EL PARADIGMA DE LA INGENIERÍA QUÍMICA DEL SIGLO XXI El concepto de sustentabilidad ha transformado la noción que se ha tenido históricamente en la industria con respecto al capital, que se ha circunscrito tradicionalmente al capital financiero y para el cual, toda inversión debe redituar utilidades, también y solamente en términos económicos. Así a partir del concepto de sustentabilidad, se ha establecido para la industria química el modelo de los cinco capitales, en el cual además del financiero, se consideran de la misma naturaleza el capital de recursos naturales, el humano, el social y el de los activos con que cuenta la empresa. En la figura siguiente se ilustra este modelo y los alcances que tienen cada uno de los capitales. 26 Enrique Aguilar Rodríguez

33 Recursos económicos de capital, que refleja la capacidad productiva de los otros 4 elementos Capital Financiero 5 Capital Natural 1 2 Flujo de Energía o materia para obtener un producto o servicio (incluye recursos materiales y ambientales) Salud, Educación, Capacidades y Actitudes de la gente Capital Humano Bienes materiales, infraestructura, máquinas, herramientas, que contribuyen a los procesos de producción, pero no son productos de ella Capital en Activos 4 3 Capital Social Sistemas de organización y de interacción social (familias, comunidades, gobierno, escuelas, sindicatos, etc.) El Modelo de los 5 Capitales en la Industria Los 5 capitales representan los recursos disponibles en una sociedad, en una célula social o en un negocio, para aspirar al logro del crecimiento con sustentabilidad. Para operar en un marco de sustentabilidad, la industria debe mantener o incrementar sus 5 capitales. La reducción de cualquiera de ellos amenaza su viabilidad y pertinencia futura. En relación con el deterioro natural que ha provocado la industria química, es útil recordar que los ciclos geobioquímicos que se presentan en la naturaleza requieren siempre un par donador-receptor recíproco que permita la realización de los procesos de generación y regeneración necesarios para sostener los ciclos vitales en el planeta. Por ejemplo las plantas suministran nitrógeno a los animales que se alimentan de ellas y éstos a su vez generan en sus desechos el nitrógeno que fertiliza la tierra y produce nuevas plantas. El oxígeno que producen las plantas es utilizado por el hombre para respirar, y éste a su vez expulsa CO2 como producto de la respiración que es utilizado por las plantas como alimento en su proceso vital. La industria química, como sabemos, ha generado dos tipos de productos no naturales : (1) productos sintéticos, como plásticos, hules, fibras; (2) energía térmica a partir de los hidrocarburos con generación simultánea de gases producto de la combustión (CO2, SOx, NOx, etc.), que probablemente han roto, o al menos perturbado, el equilibrio de algunos ciclos geobioquímicos. Enrique Aguilar Rodríguez 27