Las plantas químicas buscan la excelencia en el funcionamiento de megaplantas

El uso y desgaste no es el único factor que limita la vida útil de los bienes de producción. En el mundo de hoy, los rápidos cambios en las condiciones del mercado y la innovación en los métodos y tecnologías de producción tienen un mayor efecto sobre la duración del ciclo de vida de un sistema. En el transcurso de los 40 o 50 años de su ciclo de vida, una planta química pasa por un proceso continuo de modernización, racionalización y sustitución de sistemas. La modificación y optimización tienen lugar en intervalos cada vez más cortos en respuesta a las cambiantes condiciones de la industria.

¿Cuáles son las tendencias actuales en el diseño de plantas químicas? ¿Cuáles son las fuerzas que provocan los acontecimientos? En términos muy generales, existe actividad a ambos extremos del espectro de tamaños (megaplantas y microplantas). Se mantiene la tendencia general hacia el diseño modular y niveles más altos de automatización. El diseño modular aumenta la flexibilidad desde el punto de vista del usuario, que puede reaccionar con mayor rapidez y menor coste a las cambiantes condiciones del mercado. La automatización ofrece la ventaja de una calidad buena y reproducible con un coste menor de mano de obra.

En BASF, la fabricación de encargo, los módulos estandarizados, la factibilidad (que está integrada en la fase de diseño) y la capacidad de mantenimiento (también integrada en la fase de diseño) son las principales consideraciones durante el diseño conceptual de la planta.

¿Por qué siguen estando en la agenda las megaplantas? La respuesta es sencilla: economías de escala. Las grandes plantas reducen costes de inversión específicos. La capacidad de producción media de las plantas que fabrican productos químicos básicos se multiplicado desde por 2 hasta por 6 en los 10 últimos años. No son infrecuentes los contratos de cientos de millones de euros y en el extremo superior de la escala los contratos pueden superar la marca de los mil millones de euros, según la información proporcionada por el Grupo de Constructores de Grandes Plantas Industriales (AGAB) a la Federación Alemana de Ingeniería (VDMA).

Por poner un ejemplo típico: Bayer MaterialScience empezó la fabricación de diisocianato difenil del metileno (MDI) en el complejo químico integrado de Shangai en octubre de 2008. La planta de MDI tiene una capacidad anual de 350.000 Tm, lo que convierte en la mayor del mundo de su clase. El MDI es una materia prima que se utiliza principalmente en la fabricación de espuma rígida de poliuretano. La compañía ha iniciado también en Shangai la construcción de la nueva planta de diisocianato de tolueno (TDI) que tendrá una capacidad anual de 250.000 Mm cuando entre en funcionamiento en 2010. Se utilizan grandes volúmenes de TDI para la fabricación de espuma flexible de poliuretano para muebles tapizados, colchones y asientos de coches. El objetivo es reforzar la posición de la compañía como líder de costes. En la planta de TDI se instalará un proceso de fase gaseosa de vanguardia en el que se calientan a 300°C fosgeno y diisocianato de tolueno y reaccionan en estado gaseoso. En comparación con las plantas convencionales de tamaño similar, el nuevo proceso reducirá el consumo de energía hasta en un 60%. Esta tecnología reduce también hasta en un 80% el uso de disolvente y los costes de la inversión inicial son aproximadamente un 20% más bajos.

También está planificada una nueva planta de TDI con una capacidad anual de 300.000 t para el complejo químico integrado de Dormagen/Uerdingen, Alemania.

Hay otros ejemplos, aunque no son de la misma escala. Evonik Industries de Essen y Uhde GmbH de Dortmund unieron sus fuerzas para desarrollar el proceso HPPO (peróxido de hidrógeno a óxido de propileno) para la producción de óxido de propileno a partir de propileno y peróxido de hidrógeno con la ayuda de un catalizador Evonik. Hay una gran demanda mundial de óxido de propileno. La construcción de la primera planta de producción de Corea, con una capacidad de producción de 100.000 t costó cerca de 126 millones de euros.

La principal ventaja del proceso HPPO es que el coste de la inversión es significativamente menor. Evonik afirma que el porcentaje de ahorro potencial entra con creces en la banda de los dos dígitos. Otra ventaja es que se evitan los subproductos de las reacciones de acoplamiento. El proceso HPPO es extremadamente respetuoso con el medioambiente, dado que el agua es prácticamente el único subproducto de este proceso de alto rendimiento.

El Grupo de Constructores de Grandes Plantas Industriales está convencido de que las empresas de ingeniería alemanas se beneficiarán de la tendencia hacia las megaplantas. Dichas plantas con enormemente complejas y eso supone una barrera para la entrada de nuevos candidatos en el mercado.

No cabe duda que una planta a gran escala no es siempre la mejor solución porque estas enormes fábricas pueden crear un exceso de capacidad, especialmente cuando la economía se desacelera. Las plantas pequeñas y modulares, que proporcionan al usuario la flexibilidad suficiente para adaptarse a las evoluciones del mercado suelen ser la mejor alternativa fuera del sector de los productos químicos básicos.

La compañía planea utilizar gas sintético para ampliar su base de materias primas. El gas sintético tiene la ventaja de que puede ser producido a partir de materias primas fósiles como el petróleo, el gas y el carbón, así como a partir de materias primas renovables. El gas sintético ofrece una gran cantidad de opciones, tanto con respecto a la materia prima de la que se parte como de la variedad de productos que pueden sintetizarse. Si el desarrollo del proceso Fischer-Tropsch tiene éxito, la industria podría tener en el futuro una alternativa viable a la tecnología del craqueado. La viabilidad económica de diseñar un proceso industrial para explotar esta tecnología depende naturalmente del precio de las materias primas.

El desarrollo de un catalizador heterogéneo ha avanzado ahora hasta la fase en la que los investigadores han empezado a trabajar en un proceso diseñado específicamente para esta tecnología. Piensan realizar pruebas en escala mini para identificar las condiciones óptimas de reacción y observar cómo funciona el catalizador en condiciones de fabricación. Hasta el momento, la actividad de diseño se ha centrado en un aumento considerable de la selectividad par la fabricación de oleofinos con de dos a cuatro átomos de carbono.

Actualmente sólo un 5% de los procesos de producción en la industria química europea están basados en la biotecnología, pero los investigadores de mercado están convencidos de que esta cifra ascenderá al 15% para 2015. Los expertos de la industria esperan que la biotecnología crezca a largo plazo con índices superiores a la media en el sector de la química fina. El 20% de los procesos utilizados en este sector ya están basados en la biotecnología y hay razones para creer que esta cifra alcanzará en 2015 el 50% en la industria de la química fina. Los expertos predicen que el volumen de venta mundial de la biotecnología blanca podría alcanzar los 300.000 millones de dólares estadounidenses para 2015.

Sin embargo, algunos integrantes de la industria señalan la necesidad de ser realistas a pesar del nivel de éxito alcanzado hasta ahora y afirman que la biotecnología blanca no es intrínsecamente más rentable o respetuosa con el medio ambiente que la síntesis química convencional. Es importante sopesar las ventajas e inconvenientes en cada situación específica.

¿Son los recursos renovables una alternativa viable al petróleo como materiales básicos para la industria química? El bioetanol y otros no tienen que fabricarse necesariamente a partir de comestibles como caña de azúcar o cereales. Usando la biotecnología blanca se pueden fabricar sustancias químicas a partir de desechos industriales o biomasa sobrante de las actividades agrícolas y forestales, según la información proporcionada por el Instituto Faunhofer para Ingeniería Interfacial y Biotecnología (IGB) con sede en Stuttgart.

El glicerol crudo es un subproducto que se crea durante la fabricación de biodiésel a partir de aceite de colza. Los científicos de IGB han desarrollado un proceso para convertir glicerol crudo en para su uso en la fabricación de poliésteres y barniz para madera. En el pasado se ha fabricado el 1,3-propanodiol por medio de síntesis química, pero hay también microorganismos que convierten el glicerol en propanodiol. La bacteria Clostridium diolis produce la materia prima química y el rendimiento es relativamente alto.

A partir del aceite de colza se puede hacer otro intermedio químico, a saber, ácidos dicarboxílicos de cadena larga que pueden utilizarse para fabricar poliamidas y poliésteres.

El suero lácteo ácido es un subproducto de la fabricación de productos lácteos. En el pasado, la eliminación del suero lácteo ha sido bastante costosa. Sin embargo, las bacterias del ácido láctico pueden convertir la lactosa del suero lácteo ácido en ácido láctico (lactato). El lactato es un conservante y acidulante alimentario, pero también puede utilizarse como materia prima en la industria química, por ejemplo en la fabricación de polilactida, un plástico biodegradable. Existen ya platos y tornillos quirúrgicos desechables hechos de polilactida.

Todo el mundo está de acuerdo en que los fabricantes de Alemania no pueden competir directamente en el mercado global con países que tienen bajos costes de mano de obra. Sin embargo, un análisis de la estructura de costes demuestra que los costes de la mano de obra no son en realidad uno de los principales factores de coste en la industria de procesados. El coste de la mano de obra supone sólo una modesta contribución (10%) al coste total de la producción. Los factores que están elevando los costes en la industria son los del capital y del suministro de energía y materias primas. Estas cifras evidencian que la optimización de las metodologías y la eficiencia de los procesos son los factores cruciales para la competitividad en el mercado internacional de los productos químicos, y no el precio de la mano de obra.

No obstante, Bayer Technology Services sostiene que alcanzar una posición de liderazgo no es asunto fácil porque es necesario un conocimiento profundo de la ingeniería de procesos para desarrollar técnicas de fabricación a prueba del futuro. El seguimiento en tiempo real de la calidad del producto es un elemento fundamental de la excelencia de funcionamiento durante la producción. Los sistemas actuales de análisis de procesos online pueden cubrir prácticamente toda la banda de necesidades de adquisición de datos. También es vital que la información esté disponible para todo el proceso de producción y desplegar sistemas de automatización que respalden la intervención de procesos autónomos.

¿Cuáles son los principales factores de éxito para la excelencia de funcionamiento? Es necesario tener completamente controlados tanto la metodología como el portafolio de ingeniería, lo que incluye la evaluación y optimización del proceso, modelación dinámica del proceso, selección de la instrumentación basada en el modelo incluyendo tecnología analítica online, diseño del sistema de automatización, supervisión del funcionamiento y plataformas de referencia, Sistemas de Ejecución de Manufactura (MES) y optimización de la producción, flujos de material e información y la cadena de suministro. Otro de los objetivos importantes es la reducción del capital circulante.

Todo esto sólo funciona si hay un flujo ininterrumpido, y sobre todo sin pérdidas, de datos e información de alta calidad desde el nivel de campo y a través de toda la capa del proceso y control de la producción hasta dirección de Planificación de Recursos Empresariales (ERP). Bayer Technology Services está convencida de que “si las gafas que llevas no son las adecuadas, tu visión de lo que está sucediendo estará distorsionada”.

La escasez de ingenieros cualificados es un factor importante del uso extendido de soluciones informáticas de diseño 3D. A los expertos de la industria no les cabe duda que las herramientas de vanguardia de TI seguirán ayudando a las compañías a mejorar la productividad. Normalmente sólo un 15-20% del presupuesto general de un proyecto se asigna a la planificación inicial, pero una mejora de la calidad de todos los elementos del sistema puede tener un efecto significativo sobre el tiempo y los costes.

En el pasado, los diseñadores de programas de software se concentraban en proporcionar soluciones especializadas para las distintas fases de ingeniería, pero ahora aumenta la demanda de intercambio ininterrumpido de datos entre estas herramientas de ingeniería y los huecos en el flujo de información entre fases del proyecto se han identificado como cuellos de botella. La solución es desarrollar herramientas integradas de planificación que contribuyan a evitar el esfuerzo de tener que ocuparse de la discontinuidad del sistema. Concretamente, esto significa la eliminación de entradas duplicadas de datos.

No obstante, los usuarios quieren algo más que facilidad de transporte de datos entre las distintas fases de ingeniería. Es necesario eliminar cualquier dependencia entre el programa de ingeniería y los datos. Desde el punto de vista del usuario, el verdadero valor de los datos de ingeniería está basado en su facilidad de transporte a otros programas y sistemas. Es fácil entender la importancia de este tema si se tiene en cuenta que el ciclo de vida de un bien de producción suele ser veinte veces mayor que la del producto de software.

CAEX (Intercambio de Ingeniería con Ayuda de Ordenador es un formato neutral de intercambio de datos basado en XML que trata estas cuestiones y respalda el intercambio neutralizado de datos de ingeniería y el almacenaje de información sin dependencia de la herramienta. CAEX se lanzó a finales de 2002 como una colaboración entre el Departamento de Tecnología de Control de Procesos de RWTH Aachen y el Centro de Investigación de ABB en Alemania. Ya está a la venta la versión CAEX 2.0.

Los expertos de la industria afirman que si los diseñadores empiezan a utilizar la ingeniería virtual en las etapas más tempranas del proceso de diseño se pueden lograr ahorros importantes. El tiempo de planificación de la producción se puede reducir en un 30%, se puede recortar un 40% de los costes de producción y los costes de inversión se podrían reducir hasta en un 30%.

Dado que el modelo virtual facilita un mayor conocimiento del proceso en su totalidad, muchas compañías lo utilizan cuando se sientan con los clientes a debatir futuros sistemas de producción durante la fase de planificación y definición del diseño en la que también se puede verificar la accesibilidad del equipamiento, lo que desempeña un papel muy importante en el esfuerzo para reducir el tiempo de reparación y mantenimiento.

Hay otro aspecto a tener en cuenta que refuerza la importancia de la ingeniería virtual y es que las tendencias demográficas en las naciones industrializadas de Occidente y la tendencia creciente a que los estudiantes elijan carreras no técnicas crea la necesidad de alcanzar una mejora espectacular en la productividad de la ingeniería.

Las herramientas de ingeniería de vanguardia ofrecen una gran variedad de oportunidades para incrementar la productividad:

* reducción de los tiempos de ejecución del proyecto

* menor coste del proyecto

* respaldo multidisciplinario durante la puesta en servicio y el posterior funcionamiento

* capacitación y formación del personal de instalación, operación y mantenimiento

* autopista digital: intercambio ininterrumpido de datos y coherencia de los datos

La visión de BASF es la de desarrollar la realidad virtual hasta el punto en que la simulación de la ingeniería respalde la visualización del funcionamiento de unidades específicas, por ejemplo el análisis del estado de la carga parcial o de la carga total en columnas de destilación basadas en la representación de cargas hidrodinámicas.