Análisis de Sostenibilidad

Ana Cristina Murrieta | a01285341Alexa arredondo guajardo | a01285174 Ana regina martinez | a01178149

Roberto Eugenio villarreal | a01722489ricardo Sebastian mejia | a01749357

Ana Cristina Murrieta | a01285341Alexa arredondo guajardo | a01285174 Ana regina martinez | a01178149

Roberto Eugenio villarreal | a01722489ricardo Sebastian mejia | a01749357

Análisis de Sostenibilidad

Equipo 3

Equipo 3

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Índice

Balance de Materia y Energía

Estudio del Mercado

Objetivos y Alcance del Proyecto

Análisis de Integración de Energia

Servicios Auxiliares

10

Diagrama Conceptual del Proceso

Mecanismos y Condiciones de Degradación

Condiciones de Operación

11

Datos Clave

Principios de Ingeniería Sostenibles

Análisis de Ciclo de Vida

12

Reacciones Químicas y Condiciones

Conclusión de Sostenibilidad

13

Referencias

Conclusiones Individuales

14

15

Objetivos SMART

Alcances

• Especifico: Diseñar una planta de producción de ácido fumárico

• Medible: Analizar la viabilidad económica y la eficiencia del proceso

• Alcanzable: Cumplir con las normas solicitadas y principios de sostenibilidad y cumpliendo con lo requerido de producir

• Relevante: Considerando los principios de sostenibilidad

• Temporal: Para el 3 de junio

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Diagramas Conceptuales de Proceso

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anhídrido maleico

n-butano

Datos Clave por Compuesto

ácido maleico

Y sus impactos

Ácido Fumárico

Monóxido de carbono

Dióxido de carbono

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Reacciones

Segunda Reaccion

Primera reacción

Tercera Reacción

El anhídrido maleico se obtiene mediante la oxidación parcial de n-butano en una temperatura elevada y con la presencia del catalizador VPO (Vanadio fósforo). El rango de temperatura es de 350° a 500° C y la presión de 40 a 280 kPa (Dato’ir et. Al, 2015).

Para producir ácido fumárico a partir de ácido maleico se lleva a cabo una reacción exotérmica de isomerización catalítica en una solución acuosa. Utilizando temperaturas entre 100-200 o 250°C, de preferencia 150°C para su isomerización.

La reacción de producción de ácido maleico a partir de anhídrido maleico es una reacción de hidrólisis. En condiciones ácidas con pH menores a 5 y con un sistema de calentamiento para alcanzar temperaturas hasta de 85°C a presión atmosférica

+Cinética

índice

Estudio del Mercado

En 2024, se generaron 391 millones USD de ingresos con el ácido fumárico

Proyecciones

Se espera un crecimiento para 2029, con ingresos en 567.4 millones de dólares (+45%) y un consumo de 346.43 kilotones (+21%). El precio por kilogramo aumentaría a 1.637 dólares. Tasa de crecimiento anual del 4.75%. Producción: 3.14 ton-año

Hubo un consumo global de 285 kton de ácido fumárico

A un precio promedio de 1.369 USD / kg

Ubicacion: Nuevo León

(Horizon, 2025 / Mordor Intelligence)

(Horizon, 2025 / Mordor Intelligence)

índice

Servicios y Condiciones de Operación

Etapa 5

Etapa 3

Etapa 1

Etapa 6

Etapa 4

Etapa 2

índice

Conclusiones Parte 1

Alexa Arredondo

Ana Regina Mtz

Roberto E. Villarreal

En base a lo que se ha visto en clase sobre los procesos químicos, es muy difícil poder hacer de un proceso 100% sustentable, ya que hay una gran dependencia en los combustibles fósiles para generar materia prima. Sin embargo, una manera en la que se puede reducir el consumo energético y por lo tanto emisiones en un proceso es tratando de integrar la mayor cantidad de energía posible dentro del mismo proceso, y ocupando la menor cantidad de equipos y materiales, para no consumir tanta energía.

Investigar sobre las condiciones de operación del proceso y sobre los impactos ambientales, sociales y económicos de cada compuesto utilizado/generado me permitió tener una perspectiva más completa sobre las posibles repercusiones de nuestro proceso. Esta investigación me proporcionó una visión completa que me permitió identificar tanto las oportunidades como los riesgos asociados con el proceso, permitiéndome tomar decisiones más informadas y responsables en beneficio de todas las partes involucradas.

Aunque es difícil lograr un proceso industrial 100% sostenible por su dependencia en los combustibles fósiles es importante aprender y estudiar cómo reducir y optimizar los procesos industriales para así poder hacerlos lo más sostenibles posibles, es importante saber los peligros que los compuestos tienen tanto en la parte ambiental, social como económica conociendo estos impactos es más sencillo plantear un proceso industrial mejor optimizado.

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Conclusiones Parte 2

Ana Cristina Murrieta

Sebastian Mejia

Diseñar el proceso me hizo darme cuenta de lo difícil que es equilibrar eficiencia, rentabilidad y sustentabilidad. A veces, se tienen que descartar opciones más ecológicas por no ser tan eficientes, lo cual puede ser frustrante. Sin embargo, investigar los impactos ambientales, sociales y económicos me ayudó a comprender mejor las consecuencias de cada decisión. Sería útil tener más espacio para explorar soluciones más sostenibles, aunque no sean las más convencionales, ya que el cuidado del medio ambiente también debería ser una prioridad.

Es complicado diseñar una planta química. No solo por el cálculo riguroso de diseño y dimensionamiento de los equipos, sino también por los sentimientos encontrados que provoca el explotar un recurso y maximizar la profitabilidad de un proceso. Y es que, mientras que en el módulo de sostenibilidad observamos la importancia de dejar de producir en masa y la cantidad de residuos que estas prácticas generan, en otros buscamos métodos computacionales que nos ayudan a encontrar parámetros para producir más.

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Análisis de Ciclo de Vida

• 0.87 L de agua / kg de ácido fumárico
• 0.72 kg de gas natural (n-butano) / kg de ácido fumárico
• El ácido fumarico se absorbe en el organismo y genera energía (ATP) por medio del ciclo del ácido cítrico
• El pentóxido de vanadio (VPO) puede ser reutilizado por medio de una lixiviación (extracción solido-liquido) y se reporta que a presiones altas se puede recuperar hasta el 80% del catalizador. Despues de su uso, se dispone en contenedores a una planta de eliminación de residuos quimicos.

!!!

índice

Balance de Materia y Energía

Intercambiadores de calor

Diagrama en Aspen

Reactores

Flujos

Flash

índice

Marco Normativo

Protección Ambiental

Cambio Climático

Salud de los trabajadores

índice

Analisis de integración energética

ácido maleico

anhídrido maleico

Mecanismos y condiciones de degradacion

Ácido Fumárico

n-butano

Ácido málico

índice

Principios de Ingeniería Sostenible

Diseño inherente y no circunstancial

Mantener la complejidad de la naturaleza

Prevenir en vez de tratar

Diseñar de forma holística

Diseñar evitando operaciones de separación

Diseñar y comercializar de la cuna a la cuna

Insumos materiales y energéticos renovables

Maximizar la eficiencia

Tener la voluntad de diseñar sosteniblemente

Extraer en vez de empujar

10

¿Qué tan sostenible es nuestro proyecto?

El proceso actual con las condiciones que tenemos tiene un índice de producción de dioxido de carbono bajo (400 kg CO2/año).Haciendo una integración energetica al proceso reduciría el cosumo de electricidad que a su vez reduciría la huella de carbono correspondiente al alcance 2. Implementando las normativas y los principios de sostenibilidad a nuestro proceso nos ayuda a cumplir con nuestros tres pilares fundamentales: Social, Ambiental y Económico. Por lo tanto, tomando en cuenta los parámetros de consumo de agua y n-butano, así como los 3 alcances de la huella de carbono de nuestro proceso y las normativas y principios de sostenibilidad que aplican, nuestro proyecto si es sostenible.

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Conclusiones Parte 1

Alexa Arredondo

Ana Regina Mtz

Roberto E. Villarreal

Considero que nuestro proyecto si es viable y en su mayoría sostenible, ya que al analizar los indicadores vemos que son bajos en cuanto a emisiones y consumo de compuestos a comparación de otras empresas. La integración de energía ayudaría a reducir costos y consumo energético, por lo que considero que es de suma importancia considerarlo en nuestro proceso. Por el lado tecno-económico considero que si es viable, siempre y cuando consideremos reducir costos con los equipos y el consumo energetico.

Siento que nuestro proyecto sí puede llegar a ser sostenible si tomamos decisiones conscientes desde el diseño. No se trata solo de que funcione, sino de buscar que el proceso sea eficiente sin dañar tanto al medio ambiente. Integrar el uso de energía de manera inteligente no solo ayuda al ambiente, sino que también puede hacer que el proceso sea más económico. En lo técnico y económico, lo veo viable, siempre que cuidemos los recursos y pensemos bien en qué vale la pena invertir para no generar gastos innecesarios a largo plazo.

En conclusión, nuestro proyecto puede llegar a ser viable y sostenible, especialmente si nos enfocamos en la eficiencia de cada etapa del proceso. Los análisis nos muestran que vamos por buen camino, pero todavía hay cosas que se tienen que mejorar. La integración energética es muy importante, no solo por el ahorro económico, sino también por el impacto positivo en el medio ambiente. En el aspecto técnico y económico, en mi opinión si mantenemos clara la estrategia de seleccionar equipos que nos ayuden tanto en lo económico como en su desempeño tendremos un proyecto sólido.

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Conclusiones Parte 2

Ana Cristina Murrieta

Sebastian Mejia

El proyecto tiene un gran potencial de acercarse a ser un proceso sostenible ya que se esta abordando el proceso y la producción del ácido fumárico con esa mentalidad. Todos los integrantes estamos conscientes de esto, ayudando a tener en mente de cambiar y tomar decisiones basado en eso. Integrar el uso de energía ayudará a crear este proceso más auto-sustentado. Los principios de ingeniería nos ayudan a guíar nuestra elaboración a un planta química al igual que evitar emisiones y reducir riesgos para los trabajadores y el medio ambiente en nuestra planta química. Es importante mantener una responsabilidad ante el medio ambiente, siendo conscientes de nuestros procesos.

Implementar los principios de la ingeniería sostenible en la planta de ácido fumárico no es solo una necesidad técnica, sino una oportunidad para transformar la manera en que producimos. Al comprender a fondo los mecanismos de degradación y el impacto ambiental de cada sustancia, diseñamos no solo con eficiencia, sino con conciencia y responsabilidad. Cada decisión basada en estos conocimientos es un paso hacia una industria más limpia, segura y comprometida con el futuro del planeta. Evitar emisiones, reducir riesgos y optar por procesos biodegradables demuestra que es posible crear sin destruir, innovar sin contaminar.

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Referencias

DATO'IR DR WAN, R. B., DAUD, W., & YUHANA, D. N. Y. B. (2015). PRODUCTION OF MALEIC ANHYDRIDE FROM OXIDATION OF n-BUTANE (Doctoral dissertation, The National University of Malaysia)Dióxido de carbono. (2024). Chemical Safety. Recuperado de:https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=es&p_card_id=0021&p_version=2Anhídrido maleico. (2023). Chemical Safety. Recuperado de:https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=es&p_card_id=0799&p_version=2Ácido maleico. (2019). Chemical Safety. Recuperado de:https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=es&p_card_id=1186&p_version=2Ácido fumárico. (2023). Chemical Safety. Recuperado de:https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=es&p_card_id=0799&p_version=2n-Butano. (2003). Chemical Safety. Recuperado de:https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_lang=es&p_card_id=0232&p_version=2DATA NUEVO LEÓN | Datos económicos de Nuevo León. (2025). http://datos.nl.gob.mx/Garza, B. (2024). NL, uno de los estados que más aporta a la economía nacional. EL HORIZONTE. https://www.elhorizonte.mx/finanzas/nl-uno-de-los-estados-que-mas-aporta-a-la-economia-nacional/3692267624SAFETY DATA SHEET. (1997). Retrieved from https://www.fishersci.com/store/msds?partNumber=AC206422500&productDescription=VANADIUM%28V%29+OXIDE%2C+99.6%2B+250GR&vendorId=VN00032119&countryCode=US&language=en ‌

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Referencias

Mordor Intelligence. (s.f.). Mercado del ácido fumárico - Análisis de participación y tendencias. Recuperado el 3 de marzo de 2025, de https://www.mordorintelligence.com/es/industry-reports/fumaric-acid-marketMüller, M., Kutscherauer, M., Böcklein, S., Mestl, G., & Turek, T. (2020). On the importance of by-products in the kinetics of n-butane oxidation to maleic anhydride. Chemical Engineering Journal, 401, 126016. Porras, D. (2025). El Diario de Chihuahua : Últimas Noticias de Chihuahua, México y el Mundo. El Diario De Chihuahua. https://www.eldiariodechihuahua.mx/ Reyes, G. (2023). Sonorenses, entre los mejor pagados del país; pero sigue sin alcanzar el sueldo - El Sol de Hermosillo | Noticias Locales, Policiacas, sobre México, Sonora y el Mundo.OEM. https://oem.com.mx/elsoldehermosillo/local/sonorenses-entre-los-mejor-pagados-del-pais-pero-sigue-sin-alcanzar-el-sueldo-13133581 Roa Engel, C.A., Straathof, A.J.J., Zijlmans, T.W. et al. Fumaric acid production by fermentation. Appl Microbiol Biotechnol 78, 379–389 (2008). https://doi.org/10.1007/s00253-007-1341-x Roa Engel, C. A., Straathof, A. J. J., Zijlmans, T. W., van Gulik, W. M., & van der Wielen, L. A. M. (2008). Fumaric acid production by fermentation. Applied Microbiology and Biotechnology, 78(3), 379–389. https://doi.org/10.1007/s00253-007-1341-x ScienceDirect. (s.f.). Fumaric acid. Elsevier. Recuperado el 3 de marzo de 2025, de https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/fumaric-acid Victorica A. (2023). ¿Cuáles son los estados que más pagan por el agua potable? Líder Empresarial. https://www.liderempresarial.com/cuales-son-los-estados-que-mas-pagan-por-el-agua-potable/

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Insumos materiales y energéticos renovables

Aplicación: Buscar sustituir fuentes fósiles en lo posible, aunque el n-butano es de origen fósil. Acciones concretas:

• Evaluar biobutano como alternativa futura.
• Usar energías renovables (eléctrica, solar) para procesos de separación o calefacción.

Etapa 5-Servicios y Condiciones de operación

Se presentan los servicios necesarios y las condiciones de operación para cada equipo de la Etapa 5 del proceso.

Consideraciones

• se utilizan 274,103 kWh/año de energía electrica
• se utilizan 128,371 ccf (cien pies cubicos) /año de n-butano
• se usan 3 camiones de transportación de gas natural comprimido, y recorren 40,000 millas al año en promedio
• los ejecutivos, directores de ventas y de consultoria viajan en avión en promedio 10 veces al año
• se necestian 12 operadores en planta
• el medio de transporte de los empleados es el camión público y recorren al día un promedio de 24 millas
• se hacen 36 envíos al año (promedio de 3 al mes) y hacen recorridos de 560 millas transportando alrededor de 78,536 lbs de ácido fumarico
• contamos con un servidor externo

Diseñar de forma holística

Aplicación: Considerar todo el sistema desde insumos hasta productos, reciclaje de corrientes, cogeneración, etc. Acciones concretas:

• Integrar unidades: uso del calor generado en la reacción para etapas posteriores.
• Diseño modular de planta que facilite su replicación en menor escala.

Alcances

Es el cronograma se incluyen las diferentes fechas de entrega al igual que sus respectivas tareas por cumplir en cada entregable. La línea de tiempo ilustra en qué parte del proceso la tarea va, ya sea terminada, en curso o si empieza próximamente.

• Diseñar el proceso de producción seleccionando la mejor ruta química, definir equipos y modelar
• Analizar la viabilidad económica y del mercado estudiando la demanda y oferta, costos y rentabilidad
• Cumplir con la normatividad y sustentabilidad requerida para el proceso
• Elaborar gestión de riesgos y estrategias de control

Prevenir en vez de tratar

Aplicación: Evitar la formación de subproductos como CO, CO₂, o compuestos aromáticos durante la oxidación del n-butano. Acciones concretas:

• Optimizar cinética y condiciones del reactor (temperatura, presión, tiempo de residencia).
• Maximizar la selectividad hacia ácido fumárico para evitar tratamientos posteriores.

• NOM-085-SEMARNAT-2011 | Contaminación atmosférica, Niveles máximos permisibles de emisión de los equipos de combustión de calentamiento indirecto y su medición

• NOM-156-SEMARNAT-2012 | Requisitos para sistemas de monitoreo de emisiones y para el diseño y operación de sistemas de monitoreo continuo de emisiones a la atmósfera

• NOM-172-SEMARNAT-2019 | Protocolo de medición de PM2.5 y PM10. Lineamientos para la obtención y comunicación del índice de calidad del aire y los riesgos a la salud"

Diseñar y comercializar de la cuna a la cuna

Aplicación: Prever el uso posterior del ácido fumárico y sus posibles revalorizaciones o ciclos cerrados. Acciones concretas:

• Buscar aplicaciones del producto en bioplásticos o aditivos con rutas de recuperación.
• Evaluar uso del residuo de purificación para otros fines industriales.

n-butano

Impacto ambiental: Extremadamente inflamable, el fuego puede producir gases irritantes o tóxicos

Impacto social: Esta sustancia puede originar asfixia por disminución del contenido de oxígeno en el aire .

Impacto económico: Gas más amigables con el medio ambiente y de los que menos contaminan. Muy cotizado e n la industria.

(Chemical Safety, 2003) y (Combugas, 2022)

Diseñar evitando operaciones de separación

Aplicación: Diseñar la planta para que los productos salgan en fases separables fácilmente. Acciones concretas:

• Posible uso de separación por cristalización del ácido fumárico directamente desde la mezcla.
• Minimizar o eliminar columnas de destilación para purificación (alto consumo energético).

Mantener la complejidad de la naturaleza

Aplicación: Evitar romper innecesariamente moléculas complejas o generar productos mucho más simples que requieren recomposición. Acciones concretas:

• Evitar oxidación completa del n-butano a CO₂.
• Preservar estructuras intermedias útiles (como el anillo de ácido maleico antes de isomerizarlo a fumárico).

Etapa 6-Servicios y Condiciones de operación

Se presentan los servicios necesarios y las condiciones de operación para cada equipo de la Etapa 6 del proceso.

Monóxido de Carbono

Impacto ambiental: Forma mezclas explosivas, reacciona con cloro y azufre y crea humos tóxicos. Peligro a incendios.

Impacto social: Afecta al sistema cardiovascular, puede causar muerte si expuesto a altas concentraciones.

Impacto económico: Por el alto peligro que tiene CO, se consume mucho dinero en sistemas de detección y detención.

(Chemical Safety, 2024)

Diseño inherente y no circunstancial

Aplicación: Elige rutas de reacción y condiciones que no generen productos intermedios o residuos peligrosos (como maleico anhidrita con alta toxicidad si no se maneja bien). Acciones concretas:

• Uso de catalizadores que no generen residuos tóxicos.
• Asegurar que los materiales (n-butano, oxígeno, catalizadores) estén bien caracterizados en cuanto a riesgos.
• Balance de masa y energía para minimizar pérdidas térmicas y emisiones.

Consideraciones

• consumo promedio de una planta química en México: 113.48 kWh / 1,000 dlls de producto (SEMARNAT, 2019)
• factor de emisión del sistema eléctrico en México: 0.444 kg CO2eq / kWh (Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, 2024)
• un ahorro de energía del 40% de acuerdo a analísis realizado en Aspen

Extraer en vez de empujar

Aplicación: Diseño de la reacción para que el producto se separe fácilmente del sistema (por ejemplo, precipitación espontánea del ácido fumárico). Acciones concretas:

• Promover cristalización a medida que se forma el ácido fumárico.
• Evitar presión o temperaturas extremas innecesarias.

• NOM-010-STPS-2014 | Agentes Químicos Contaminantes del Ambiente Laboral (DOF, 2014)

• NOM-017-STPS-2008 | Equipo de Protección Personal (EPP) (DOF, 2008 )

• NOM-019-STPS-2011 | Constitución, Integración, Organización y Funcionamiento de las Comisiones de Seguridad e Higiene (DOF, 2011)

• NOM-030-STPS-2009 | Servicios Preventivos de Seguridad y Salud en el Trabajo - Funciones y Actividades (DOF, 2009)

• NOM-035-STPS-2018 | Factores de Riesgo Psicosocial en el Trabajo - Identificación, Análisis y Prevención (DOF, 2018)

• NOM-005-STPS-1998 | Relativa a las Condiciones de Seguridad e Higiene en los Centros de Trabajo para el Manejo, Transporte y Almacenamiento de Sustancias Químicas Peligrosas

• NOM-037-STPS-2023 | Teletrabajo - Condiciones de Seguridad y Salud en el Trabajo (DOF,2023)

Etapa 4-Servicios y Condiciones de operación

Se presentan los servicios necesarios y las condiciones de operación para cada equipo de la Etapa 4 del proceso.

Tener la voluntad de diseñar sosteniblemente

Aplicación: Reflejar sostenibilidad como principio rector del diseño, no solo como requerimiento. Acciones concretas:

• Evaluación del ciclo de vida del proceso.
• Inversión en investigación para rutas más verdes o catalizadores reutilizables.
• Buscar certificaciones o estándares verdes (ISO 14001, etc.).

Etapa 2-Servicios y Condiciones de operación

Se presentan los servicios necesarios y las condiciones de operación para cada equipo de la Etapa 2 del proceso.

Maximizar la eficiencia

Aplicación: Reducir pasos innecesarios o reacciones paralelas. Acciones concretas:

• Reacción directa de n-butano → ácido maleico → ácido fumárico en una línea integrada.
• Maximizar rendimiento molar en cada etapa.
• Recuperación de calor entre etapas (reactor y cristalización, por ejemplo).

Etapa 3-Servicios y Condiciones de operación

Se presentan los servicios necesarios y las condiciones de operación para cada equipo de la Etapa 3 del proceso.

Anhídrido Maleico

Impacto ambiental: Puede contaminar el agua y es nocivo para organismos acuaticos

Impacto social: Es corrosivo para los ojos e irrita la respiración. Puede originar edemas y asma.

Impacto económico: Participa en varias industrias y sirve como intermediario químico.

Etapa 1-Servicios y Condiciones de operación

Se presentan los servicios necesarios y las condiciones de operación para cada equipo de la Etapa 1 del proceso.

Cinética

Dióxido de Carbono

Impacto ambiental: Se acumula en zonas bajas, produciendo deficiencia de oxígeno. Reacciona con compuestos alcalinos y metales en polvo.

Impacto social: La inhalación en altas concentraciones afecta los organos y al metabolismo, causa asfixia.

Impacto económico: Ya que afecta mucho al cambio climático, se gasta para tratar de evitar o aliviar estas emisiones.

(Chemical Safety, 2024)

Ácido Fumárico

Impacto ambiental: Biodegradable. afecta el pH del suelo y agua si hay un exceso. Genera residuos en la industroa que necesitan tratamiento.

Impacto social: Irrita ojos, y respiración. Puede afectar el metabolismo.

Impacto económico: Tiene una alta demanda en la industria, producción rentable.

(Chemical Safety, 2023)

Ácido Maleico

Impacto ambiental: Puede contaminar el agua y es nocivo para organismos acuaticos

Impacto social: Es corrosivo para los ojos e irrita la respiración. Puede originar edemas y asma.

Impacto económico: Participa en varias industrias y sirve como intermediario químico.

(Chemical Safety, 2019)

• NOM-001-SEMARNAT-2021 | Límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en cuerpos receptores propiedad de la nación

• NOM-002-SEMARNAT-1996 | Límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal

• NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 | Límites máximos permisibles de hidrocarburos en suelos y lineamientos para muestreo en sitios contaminados por hidrocarburos en el subsuelo

Consideraciones

• se generan solamente 0.047 kg de CO2 / hr durante el proceso