PROCESOS INDUSTRIALES INTRODUCCIÓN

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1 PROCESOS INDUSTRIALES INTRODUCCIÓN INDUSTRIA QUÍMICA Tipos, escalas PRODUCTOS QUÍMICOS Volumen de producción, valor agregado TECNOLOGÍA Patentada, licenciada, desarrollada Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 1

2 lanacion.com - Miércoles 19 de agosto de :40 Derrame de petróleo en Comodoro Rivadavia por la caída de un tanque de YPF Fue en una planta deshidratadora dentro del ejido urbano de esa ciudad; unos 2000 metros cúbicos de hidrocarburo y agua fueron volcados al terreno; el "incidente" fue "controlado" e YPF informó que ya logró recuperar el 80 por ciento del fluido derramado COMODORO RIVADAVIA.- Un derrame de petróleo provocado por el desplome de uno de los tanques de la planta deshidratadora de YPF en Kilómetro 9 -ubicada dentro del ejido urbano de esta ciudad- dejó como saldo 2000 metros cúbicos de hidrocarburo y agua esparcidos en el terreno y obligó a iniciar un inmediato plan de contingencia, aunque YPF informó esta mañana que ya logró "recuperar el 80 por ciento del fluido derramado en el incidente". Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 2

3 Región Gran Rosario Fuente: Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 3

4 Compañías químicas líderes (1993) Fuente: H.A. Wittcoff, B.G. Reuben; Industrial Organic Chemicals; J Wiley & Sons. New York: 1996 Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 4

5 Compañías químicas líderes (2014) Fuente: A.H. Tullo; Global Top 50 Chemical & Engineering News; ACS. July Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 5

6 Productos químicos principales Fuente: H.A. Wittcoff, B.G. Reuben; Industrial Organic Chemicals; J Wiley & Sons. New York: 1996 Listado publicado hasta 1996 en Chemical and Engineering News; luego la información fue difícil de reunir y evaluar Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 6

7 Productos químicos principales Fuente: H.A. Wittcoff, B.G. Reuben; Industrial Organic Chemicals; J Wiley & Sons. New York: 1996 Más del 90% de todos los productos orgánicos proviene de la Petroquímica. 7 materias primas básicas: metano, etileno, propileno, olefinas de C4, benceno, tolueno, xileno. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 7

8 Productos químicos en Argentina (2010) Empresas fabricantes de sustancias y productos químicos de uso intermedio Fuente: Guía de la industria química y petroquímica, 11 edición, Cámara de la Industria Química y Petroquímica, Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 8

9 Argentina: Valores de Producción por Subsector SUBSECTORES VALOR DE LA PRODUCCION (2007 EN MILLONES DE USD) Inorgánicos básicos 980 4,07 Petroquímicos ,22 Química Fina ,33 Fibras Sintéticas 210 0,87 Fertilizantes y Agroquímicos ,11 Especialidades Químicas ,32 Pinturas, barnices y recubrimientos % Jabones, detergentes y productos de limpieza ,30 Perfumes, cosméticos y productos de cuidado personal Productos farmacéuticos y medicamentos ,78 Total General ,00 Fuente: Panorama de la industria química y petroquímica de Argentina, Cámara de la Industria Química y Petroquímica, Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 9

10 Argentina: Principales empresas de productos químicos de uso intermedio - Atanor - Du Pont Argentina - Dak Américas (ex Eastman) - ICI Argentina - Lanxess - Meranol - Monsanto - Petrobras Energía - PBB Polisur - Petroquímica Cuyo - Petroquímica Río III - Petroken - Profertil - Repsol YPF - Sealed Air Argentina - Solvay Indupa Sectores de la producción - Orgánicos básicos - Inorgánicos - Petroquímicos intermedios - Polímeros - Colorantes y pigmentos - Agroquímicos y fertilizantes Fuente: Informe de Coyuntura de la Industria Química y Petroquímica-Reporte anual 2008, Cámara de la Industria Química y Petroquímica, Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 10

11 DESARROLLO DE PROCESOS QUÍMICA FINA Fabricación en pequeña escala de compuestos orgánicos (hasta Kg) Farmacéuticos, agroquímicos, specialties QUÍMICA BÁSICA ( bulk, a granel) Producción multi-ton de commodities Hidrocarburos, inorgánicos, petroquímicos, polímeros, fertilizantes ESCALADO (Scaling-up) De la I a la D Plantas escala Piloto Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 11

12 QUÍMICA DE PROCESOS BIBLIOGRAFÍA S. Lee, G. Robinson, Process Development. Oxford Chemistry Primers Vol. 30. OUP, Oxford: T. Y. Zhang, Process Chemistry: The Science, Business, Logic, and Logistic. Chemical Reviews 106, (2006). INDUSTRIA FARMACÉUTICA Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 12

13 INDUSTRIA FARMACÉUTICA Fuente: H.A. Wittcoff, B.G. Reuben; Industrial Organic Chemicals; J Wiley & Sons. New York: 1996 Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 13

14 INDUSTRIA FARMACÉUTICA Fuente: D. Melé, Las cinco mayores compañías farmacéuticas: Imagen corporativa y críticas en responsabilidad social; IESE Business School, Universidad de Navarra: 2006 Comentarios: Sanofi-Aventis: Hoechst + Rhone-Poulenc (Francia, 2004) Novartis: Ciba + Sandoz (Suiza, 1996) Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 14

15 INDUSTRIA FARMACÉUTICA Fuente: Reporte Sectorial BDO, en base a datos de: World Review 2007-Argentina. IMS Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 15

16 Actividades de I + D Investigación: Compuestos sintetizados en el laboratorio Pequeñas cantidades (gramos mg) Material de vidrio standard Identificación de un compuesto con una propiedad deseada Desarrollo: y potencial de comercialización. Se requieren mayores cantidades de compuesto Para confirmar la propiedad y el efecto encontrado Para evaluación toxicológica/ambiental Para estudios a largo plazo No puede prepararse en el laboratorio Es más importante la rapidez y factibilidad de la preparación que el rendimiento global Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 16

17 ESCALADO Equipos para propósitos generales Se preparan cantidades relativamente pequeñas Demanda fluctuante de compuestos distintos No se justifica una planta dedicada Recipientes de reacción Producción hasta 1 Kg Material de vidro de laboratorio más grande (hasta 50 litros). Problema: fragilidad para soportar peso o cambios de temperatura. Producción escala piloto Recipientes metálicos (acero inox). Acero con recubrimiento interior de vidrio (mayor inertidad). Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 17

18 Partes de un reactor típico Vaso de reacción central. Encamisado con circulación de fluido de transferencia (etilenglicol-agua). Boca para carga de sólidos. Recipiente volumétrico para adición de líquidos. Líneas para solvente y vacío. Condensador para reflujo y válvula para separación de destilado. Agitador fijo. Válvula inferior para descarga. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 18

19 Reactor Parr, L Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 19

20 Reactor Parr, 2 galones (7.5 L) P max 130bar (1900 psi) T max C (depende del material del sello) Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 20

21 Operaciones en el reactor Separación de fases Se dificulta con recipientes metálicos Solución: ventanas de inspección, sonda de conductividad Medición de volumen y nivel Celdas de carga Toma de muestra No es aconsejable abrir el reactor. Línea al seno de la mezcla de reacción. Medición de alguna propiedad para seguir la reacción. Evaporación/eliminación del solvente Hay un volumen mínimo de agitación. No se logra alto vacío (aprox 50 mm Hg). Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 21

22 Chemglass, escala piloto Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 22

23 Temperatura y consideraciones termoquímicas Reactor de uso general: opera desde t.a. hasta 140ºC. Fluido de calentamiento (aceite de silicona) circula por camisa exterior o por serpentín interior. Para baja temperatura: circulación de glicoles; puede ser peligroso en reactores metálicos revestidos en vidrio (se prefiere metal inerte). Peligros asociados: Evaluación de la termoquímica del sistema. El enfriamiento es menos eficiente a mayor escala. El calentamiento descontrolado ( runaway ) es más peligroso. Adición lenta de rvos. de acuerdo a la capacidad de enfriamiento (difícil en el caso de sólidos). Medición del calor de reacción en horno adiabático o calorímetro (calor generado vs temperatura). Considerar formación de gases; contar con válvula de seguridad (PSV). Evaluación de compuestos explosivos. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 23

24 Reactor IKA, alta presión Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 24

25 Manipulación de reactivos Estabilidad Tiempos de proceso más largos. Reactivos y productos deben ser estables. Cuidado especial con intermediarios. Toxicidad Rvos líquidos: sistema de líneas desde el recipiente de almacenamiento hasta el reactor. En especial para rvos sensibles al aire (ej. BuLi). Particularmente difícil con rvos sólidos. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 25

26 Reactor de polimerización Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 26

27 Reactor de polimerización Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 27

28 Reactor de polimerización Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 28

29 Reactor de polimerización II Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 29

30 Reactor de polimerización II Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 30

31 Reactor de polimerización II Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 31

32 Reactor de polimerización II Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 32

33 Cromatografía Aislamiento y purificación Procedimiento clásico a escala laboratorio. Muy difícil de escalar. Telescoping Evita manipular intermediarios no cristalinos o tóxicos. Se requiere que la primer reacción se complete, y la segunda proporcione una sustancia cristalina. Filtración de sustancias cristalinas En el laboratorio: al vacío y con el producto en contacto con el aire (y el operador). Escalado: filtro de presión Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 33

34 Filtración escala piloto Uso de presión (aire o N2). Permite reciclado de solventes. Lavado y secado in situ. Evaporación de restos de solvente: requiere sistema de absorción. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 34

35 Operación escala piloto Unidad de fraccionamiento y destilación Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 35

36 Operación escala piloto Sala de control Unidad de evaluación de catalizadores Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 36

37 Elección de la ruta sintética Criterio para la ruta escala laboratorio: permitir la preparación de varios compuestos análogos para evaluación inicial. Criterios para escalado: Probabilidad de éxito (reacciones conocidas y probadas). Materiales de partida. Seguridad y medioambiente. Selectividad (menor generación de impurezas). Posibilidad de catálisis. Cantidad de pasos. Ruta convergente. Equipamiento: standard vs especial. Robustez, tolerancia a cambios en condiciones. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 37

38 Antagonistas de receptor de H2 Caso real: ICI (Zeneca Pharmaceuticals) ICI en Argentina: Duperial (San Lorenzo, 1960): azufre, ác. sulfúrico, sulfuro de carbono, sulfuro de sodio, anhídrido ftálico (químicos básicos). Hoy: AkzoNobel Prod. Farmacéuticos: ICI Pharma Zeneca AstraZeneca. Actualmente: Synthon (holandesa) Cimetidina (Smith-Kline) Ranitidina (Glaxo) (Taural, Zantac) Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 38

39 Ruta sintética original Fragmento 1: nitropirazol Fragmento 2: bromovaleronitrilo 20% de producto secundario. Purificación por cristalización. Rto 64%. Mezcla estadística de productos (di-br, di-cn y 7.5), separada por destilación. El intento de alquilación directa del nitropirazol con la amida 7.3 no funcionó. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 39

40 Ruta sintética original Fragmento 3: isotiocianato Separado por destilación (p.eb. 93 C) Dificultades: Nitropirazoles, compuestos explosivos (no apto para equipos de propósitos generales). Tiofosgeno (7.13), altamente tóxico; riesgo en manipulación y disposición (p.eb. 70 C). Trifluoroetilamina (7.12), tóxico y muy volátil (p.eb. 36 C); poca disponibilidad. Mercurio, riesgo ambiental y de contaminación del producto final. Tiourea 7.11 es cristalina. El Hg provoca la desulfurización para luego adicionar amoníaco Ruta imposible de operar en escala mayor que laboratorio. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 40

41 Alquil-aminopirazol desde Cloroacrilonitrilo Ruta de producción hidrazina A escala laboratorio puede destilarse. En la planta de producción no se aisla, la solución resultante se usa en la siguiente etapa ( telescoping ) Mezcla 3:1, el producto cristaliza más eficientemente como sal de TsO que como amina libre Trifluoroetilamina Estrategia para guanidina: trifluoroetilamina Trifluoroetanol comercialmente disponible. Se requiere presión y temp para desplazar OTs en solución acuosa amoniacal; reactor tipo autoclave. Producto purificado por destilación (bp 36 C) directamente en el reactor. No funcionó en la preparación de 7.18; gran cantidad de producto secundario 7.19 Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 41

42 Ruta de producción Guanidina via cianógeno Cianamida 7.20 inestable; se prepara en solución diluida y se conserva a baja temp (0 C) hasta el siguiente paso. La amina 7.9 se usó como sal de OTs (como se había cristalizado). El producto se aisló como sal de bicarbonato: la guanidina es una base más fuerte que los reactivos y forma sal con el ácido débil. La secuencia sintética pudo escalarse hasta llegar a producción. El cloruro de cianógeno ya se usaba en planta para otros productos. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 42

43 Hidrólisis del nitrilo Ruta de producción Riesgo de hidrólisis de la amida La solución de 7.14 en ác sulfúrico concentrado se agrega a amoníaco acuoso y se extrae con solvente para la cristalización final. Problemas encontrados: síntesis de impurezas t-butil amida formada a partir del solvente usado en la purificación de 7.14 (t-bu-o-me). Polimorfismo generado en la recristalización: Acetato de etilo produce buena purificación pero da un producto con dos formas cristalinas (y dos puntos de fusión detectados por DSC). Tolueno n-butanol da un único producto cristalino. Polimorfos: diferentes estructuras cristalinas, pto de fusión y solubilidad Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 43

44 Conclusiones Uso de aminopirazol en lugar de nitropirazol (explosivo). Uso de cloruro de cianógeno en reemplazo de tiofosgeno y mercurio. Expertise en la manipulación de cianógeno. Síntesis sencilla de trifluoroetilamina (no disponible comercialmente). Síntesis sencillla de bromovaleronitrilo desde THF. Ruta altamente eficiente para producción a gran escala: Convergente Tres corrientes simultáneas de intermediarios pueden llevarse a cabo separadamente. Carlos Boschetti - UNR - FCBF - Procesos Industriales 44

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