Módulo 2 RETOS AMBIENTALES: PANORAMA INDUSTRIAL.

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2 Módulo 2 RETOS AMBIENTALES: PANORAMA INDUSTRIAL

3 Propósito del Módulo 2 Durante los últimos años, la percepción hacia los contaminantes ha cambiado, la industria tiene que encontrar maneras de fabricar productos sin crear contaminación o recuperar y reusar los materiales considerados desechos, esta filosofía es llamada prevención de la contaminación. La integración de Procesos es, además de complementaria, altamente compatible con esta filosofía. Esta disciplina engloba un número de metodologías para diseñar y modificar los procesos industriales, basándose en la unidad de el proceso como un todo. Este módulo presenta una panorama general de los principales problemas ambientales que enfrentan varias industrias en Norte América.            También presenta la integración de procesos como un método sistemático para resolver problemas ambientales. Dos industrias importantes (pulpa y papel y refinerías de petróleo) son usadas como prueba del concepto.

4 ESTRUCTURA DEL MÓDULO 2 Éste módulo está dividido en tres tiers como sigue: TIER 1: Conceptos Básicos TIER 2: Caso de Estudio TIER 3: Módulo Auxiliado por computadora

5 TIER 1 : CONCEPTOS BÁSICOS
Este tier proveerá los antecedentes y una descripción general de las principales industrias en América del Norte; se enfocará en los retos ambientales actuales que enfrentan la industria de la pulpa y el papel, y la industria de refinación de petróleo.

6 TIER 1 : CONCEPTOS BÁSICOS
CONTENIDO Esta sección está dividida en tres partes: 1. Principales industrias en América del Norte 2. Industria del Petróleo 2.1 Fuerzas impulsoras, obstáculos y potencial. 2.2 Descargas ambientales. 2.3 Asuntos regulatorios en Norte América. 2.4 Mejores tecnologías ambientales para procesos específicos. 3. Industria de Pulpa y Papel 3.1 Fuerzas impulsoras, obstáculos y potencial. 3.2 Descargas ambientales. 3.3 Asuntos regulatorios en Norte América. 3.4 Mejores tecnologías ambientales para procesos específicos.

7 1.- PRINCIPALES INDUSTRIAS
EN AMÉRICA DEL NORTE

8 1. PRINCIPALES INDUSTRIAS EN NORTEAMÉRICA
Los sectores industriales más importantes en América del Norte fueron clasificados no de acuerdo a su producción, sino revisando la cantidad de desechos y contaminantes.            Algunas estadísticas están organizadas por país : CANADA USA MEXICO

9 C A N A D A Canadá es el exportador más grande del mundo de pulpa como materia prima y de productos de papel, haciendo de esta industria uno de los sectores contaminantes más importantes. Más información: Top 20 pollutants Más estadísticas: Canadian NPRI

10 Top 20 Contaminantes Liberados On Site en grandes cantidades, 2001
C A N A D A

11 Incluye refinerías y subproductos de petróleo.
U S A Incluye refinerías y subproductos de petróleo. La industria del petróleo de U.S.A es un fuerte contribuidor a la salud económica de los Estados Unidos, su producción representa cerca del 25% de la producción global. La industria de Pulpa y Papel también es importante ya que U.S.A. es el mayor consumidor de estos productos, tanto en toneladas por año como en términos de consumo per cápita. Más información: Top 20 pollutants Más Estadísticas: TRI

12 U S A

13 Contaminantes Peligrosos producidos por Industria
M E X I C O Las industrias de Petróleo proveen materia prima para las industrias químicas.e.g. Gas natural Amoniaco Fertilizantes Madera 0% Otros 0% Textiles 1% Alimentos 1% Papel 1% Metales primarios 12% Químicos 46% Minería 13 % Maquinaria 26% Contaminantes Peligrosos producidos por Industria En México, el desarrollo de la industria del petróleo está fuertemente ligada a la tasa de empleo, la inflación, el crecimiento económico y el capital de inversión. Más información

14 Como se mostró en la sección de estadísticas, existen dos industrias muy importantes para la economía y el desarrollo, las cuales también causan serios problemas ambientales, haciendo una conexión entre tres países. Esta investigación está orientada a mostrar la manera en que la Integración de Procesos puede ser aplicada exitosamente. Para lograrlo, usaremos dos de las principales industrias en América del Norte: Pulpa y Papel Petróleo

15 INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
Ninguna industria de energía hoy en día está más comprometida que la del petróleo en servir al sector agrícola, consumidor, de transportación global y de generación de energía. El petróleo y el gas natural son medios esenciales para el crecimiento económico, lo que implica enormes responsabilidades sociales y ambientales.

16 2. Industria del Petróleo
2.1 Fuerzas impulsoras, obstáculos y potencial. 2.2 La industria de refinación de petróleo Definición Productos Primarios Procesos Industriales en la Industria de Refinación de Petróleo Diagrama de flujo de Refinación 2.3 Descargas Ambientales. Fuentes atmosféricas de emisión de una Refinería Tipos de aguas de desecho producidas en refinerías Residuos de una Refinería Descargas ambientales por proceso 2.4 Asuntos Regulatorios en América del Norte. Regulación en U.S. Normas Mexicanas Regulaciones Generales 2.5 Mejores tecnologías ambientales disponibles para procesos específicos.

17 2.1 FUERZAS IMPULSORAS, OBSTÁCULOS Y POTENCIAL
Las características de la Industria del Petróleo están relacionadas. Con la finalidad de comprenderlas, se muestra el siguiente diagrama. De acuerdo a Abdallah S. Jum’ah, presidente de Arabia Saudita, la energía hoy en día, debe tener tres características que son totalmente interdependientes: CONFIABILIDAD DE SUMINISTRO La habilidad de cualquier nación para mantener el desarrollo doméstico dependerá de una fuente lista de combustibles y materia prima. Ningún otro proveedor hoy en dia es más capaz de asegurar tal continuidad de suministro que la industria del petróleo. PROTECCIÓN AMBIENTAL El ambiente debe ser protegido para lograr el desarrollo sustentable. Con la finalidad de asegurar suministros confiables de petróleo y gas natural, debe existir un mecanismo suficientemente justo y estable para mantener entradas de capital de inversión. Por otro lado, la inversión ayudará a la industria a encontrar considerables medidas para proteger el ambiente. COSTO RAZONABLE La industria del petróleo es uno de las industrias de más capital intensivo, alto mantenimiento, altamente reguladas y con impuestos excesivamente elevados a nivel mundial. Estas tres características pueden actuar como: FUERZAS IMPULSORAS OBSTÁCULOS POTENCIALES First beak volume October 2002

18 La industria de refinación de Petróleo es un fuerte contribuidor a la salud económica de los Estados Unidos y México. Para México, esta industria se ha convertido en la parte mas importante de la economía nacional, es la primera fuente de ingresos para el país. Los Hidrocarburos se mantendrán por mucho tiempo como la opción principal de fuente combustible para el progreso de la economía futura a nivel mundial. Esta es una razón no solo para proteger el aire, agua y recursos terrestres, sino también para continuar sirviendo a la sociedad a través de estos productos. Fuerzas impulsoras Situaciones económicas y ambientales están involucradas en el desarrollo de la industria del petróleo, pero su reto final debe ser satisfacer las necesidades de la sociedad.

19 OBSTÁCULOS Precios volátiles del crudo
La industria del petróleo ha sido impactada dramáticamente durante las pasadas tres décadas por disturbios geopolíticos y por los volátiles precios del petróleo. Actualmente las refinerías deben lidiar con: Calidad variable de crudo Bajos márgenes de rentabilidad de mercado y transporte. Capital creciente y costos operacionales de regulación ambiental.

20 OBSTÁCULOS El impacto ambiental producido por la industria del petróleo cubre los efectos de todos y cada uno de los pasos en el ciclo energético, lo que significa: explotación extracción refinación transportación almacenamiento consumo descargas

21 La fuente natural por si misma y la confiabilidad de suministro deben ser los mayores potenciales para el país que los posee. La tecnología juega un rol importante en el desarrollo de la industria del petróleo. También, la investigación y el desarrollo influyen al mantener los precios del petróleo en un nivel razonable. En el pasado, nuevas tecnologías han mejorado nuestros métodos de exploración y producción, junto con las eficiencias aguas abajo que llevan a combustibles automotores de combustión limpia y productos de mayor valor de cada barril de petróleo crudo, permitiendo el incremento y la mejora de la industria. U.S. es el generador más grande y más sofisticado de productos de petróleo refinado en el mundo, representando cerca del 25% de la producción global. POTENCIALES Aspectos sociales y ambientales serán decisivos en las condiciones que enmarcan el futuro de la industria del gas y petróleo. La tecnología es una herramienta que puede ayudar a realizar esta tarea.

22 2.2 INDUSTRIA DE REFINACIÓN DE PETRÓLEO
DEFINICIÓN Refinación de Petróleo es la separación física, térmica y química del petróleo crudo en sus principales fracciones (destilados), que posteriormente son procesados a través de una serie de etapas de separación y conversión hasta obtener productos terminados de petróleo. Las refinerías de Petróleo son sistemas complejos de múltiples operaciones, las cuales dependen de las propiedades del crudo a refinar y de los productos deseados.

23 2.2.2 Los productos primarios de esta industria se dividen en tres categorías:
SUMINISTRO PARA LA INDUSTRIA QUÍMICA PRODUCTOS TERMINADOS NO COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES Gasolina de motor, diesel y aceite combustible destilado, combustible de jet, aceite combustible residual, queroseno y coque. Nafta, etano, propano, butano, etileno, propileno, butileno, butadieno, benceno, tolueno y xileno. Solventes, aceites lubricantes, grasas, cera de petróleo, jalea de petróleo, asfalto y coque. Estos productos son usados como alimentación primaria en un vasto número de productos: fertilizantes, pesticidas, pinturas, ceras, tiners, fluidos solventes limpiadores, detergentes, refrigerantes, resinas, anti-freeze, selladores, aislantes, látex, compuestos de goma, plásticos duros, plástico en hojas y fibras sintéticas.

24 PROCESOS DE SEPARACIÓN
PROCESOS INDUSTRIALES EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DE PETRÓLEO Con el objetivo de comprender de donde provienen las descargas al ambiente, haremos una revisión del proceso de refinación. El proceso de refinación involucra cinco procesos principales que son brevemente descritos a continuación: SEPARACIÓN CONVERSIÓN TRATAMIENTO MEZCLADO AUXILIARES PROCESOS DE SEPARACIÓN Estos procesos involucran la separación del petróleo crudo en sus diferentes fracciones de compuestos hidrocarbonados basándose en la diferencia de puntos de ebullición. Usualmente estas fracciones requieren procesamiento adicional para fabricar productos terminados que puedan ser vendidos en el mercado. OPERACIONES ASOCIADAS Destilación atmosférica Destilación al vacío Recuperación de productos ligeros (procesamiento de gas) ASSOCIATED OPERATIONS: Atmospheric distillation Vacuum distillation Light ends recovery (gas processing)

25 PROCESOS DE CONVERSIÓN
PROCESOS INDUSTRIALES EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO SEPARACIÓN CONVERSIÓN TRATAMIENTO MEZCLADO AUXILIARES OPERACIONES ASOCIADAS PROCESOS DE CONVERSIÓN Cracking (térmico y catalítico) Reformado Alquilación Polimerización Isomerización Coking Visbreaking Incluye procesos usados para fragmentar moléculas grandes de cadena larga en otras mas pequeñas por medio de calor usando catalizadores.

26 PROCESOS DE TRATAMIENTO
PROCESOS INDUSTRIALES EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO SEPARACIÓN CONVERSIÓN TRATAMIENTO MEZCLADO AUXILIARES OPERACIONES ASOCIADAS PROCESOS DE TRATAMIENTO Los procesos de tratamiento de petróleo son usados para separar los compuestos indeseables y las impurezas como azufre, nitrógeno y metales pesados de los productos. Hidrodesulfurización Hidrotratamiento Endulzamiento químico Remoción de gas ácido Desfaltado

27 PROCESOS DE MEZCLADO/COMBINACIÓN
PROCESOS INDUSTRIALES EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DE PETRÓLEO SEPARACIÓN CONVERSIÓN TRATAMIENTO MEZCLADO AUXILIARES PROCESOS DE MEZCLADO/COMBINACIÓN Éstos son usados para crear mezclas con las diversas fracciones problema para producir un producto final deseado, algunos ejemplos de esto son los aceites lubricantes, asfaltos, o gasolina con diferentes grados de octanaje. OPERACIONES ASOCIADAS Almacenamiento Mezclado Loading Unloading

28 SEPARACIÓN CONVERSIÓN TRATAMIENTO MEZCLADO AUXILIARES
PROCESOS INDUSTRIALES EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO SEPARACIÓN CONVERSIÓN TRATAMIENTO MEZCLADO AUXILIARES PROCESOS AUXILIARES Procesos que son vitales para las operaciones al proveer energía, tratamiento de desechos y otros servicios útiles. Los productos de estas unidades usualmente son reciclados y usados en otros procesos dentro de la refinería y son importantes ya que minimizan la contaminación de aire y agua. OPERACIONES ASOCIADAS Boilers Tratamiento de agua de desecho Producción de hidrógeno Planta de recuperación de azufre

29 Crudo lavado Tratamiento y Mezclado 2.2.4 DIAGRAMA DE FLUJO
DE UNA REFINERÍA Unidad de endulzamiento Visbreaker Hidrotratamiento Cracking Catalítico Extracción de solventes Y remoción De ceras Estabilizador Destilación Atmosférica Destilación al vacío LPH y Gas Gasolina Nafta Destilados Medios Gas Oil Compuestos de Base lubricante Gasolina dulce Gas Gas Oil ligero Aceite lubricante Ceras Gasolina, Nafta y Destilados medios Aceite combustible Asfalto Tratamiento y Mezclado Gas combustible refinado Aceites combustibles Combustibles industriales Asfaltos Grasas Aceites lubricantes de aviación Diesels LPG Gasolina Solventes Crudo lavado Heating oils

30 Para responder a estas preguntas, en esta sección se expondrá:
2.3 DESCARGAS AL AMBIENTE Ahora que hemos visto los fundamentos del Proceso de Refinación, podemos plantear algunas preguntas: ¿Cuáles son las descargas de esta industria? ¿Cómo son descargadas? ¿De donde vienen? Para responder a estas preguntas, en esta sección se expondrá: Fuentes de emisión al aire Fuentes de aguas de desecho Residuos Descargas al ambiente por proceso

31 2.3.1 FUENTES DE EMISIÓN AL AIRE PROCEDENTES DE REFINERÍAS
EMISIONES DE COMBUSTIÓN: asociadas con la quema de combustibles en la refinería, incluyen combustibles usados para la generación de electricidad. EMISIONES DE FUGAS EN EQUIPOS (emisiones fugitivas): liberadas por válvulas, bombas u otros artefactos de proceso con fisuras, infiltraciones o fugas. Están compuestas primariamente de compuestos volátiles como amoniaco, benceno, tolueno, propileno, xileno y otros. EMISIONES DE RESPIRADEROS DE PROCESO: típicamente incluye emisiones generadas durante el proceso de refinación en sí mismo. Corrientes gaseosas de todos los procesos de la refinería contienen cantidades variables de gas combustible, sulfuro de hidrógeno y amoniaco. EMISIONES DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO: liberadas cuando el producto es transferido a y desde tanques de almacenamiento. EMISIONES DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA DE DESECHO: de tanques, estanques y drenaje de sistemas de aguas residuales.

32 2.3.2 TIPOS DE AGUA DE DESECHO PRODUCIDA EN LAS REFINERÍAS
AGUA DE ENFRIAMIENTO la cual normalmente no entra en contacto con las corrientes aceitosas y contiene menos contaminantes que el agua de desecho de proceso. Puede contener aditivos químicos usados para prevenir el crecimiento biológico en las tuberías de los intercambiadores de calor . AGUA RESIDUAL SUPERFICIAL: se genera de manera intermitente y puede contener constituyentes de derrames a la superficie, goteras en equipos y materia de drenaje. AGUA DE DESECHO DE PROCESO que ha sido contaminada por contacto directo con el petróleo, representa una parte significativa del agua de desecho total de la refinería. La mayor parte de estas aguas amargas son también sometidas a tratamiento para remover amoniaco y sulfuro de hidrógeno.

33 RESIDUOS DE REFINERÍA La mayoría de los residuos de las refinerías se encuentran en forma de lodos, sosas gastadas, catalizadores de proceso gastados, lodos de filtración y ceniza de incinerador. Estos residuos pueden ser clasificados como sigue: RESIDUOS NO PELIGROSOS son incinerados, enviados a almacenamiento en rellenos o regenerados para proveer productos que puedan ser vendibles o enviados nuevamente a la refinería para su reuso. DESECHOS PELIGROSOS están regulados por el Acta de Conservación y Recuperación de Recursos (Resource Conservation and Recovery Act, RCRA). Entre los desechos peligrosos listados se encuentran lodos aceitosos, emulsiones aceitosas derramadas, materiales flotadores resultantes de la flotación con aire disuelto, sólidos de corrosión de plomo de los fondos de los tanques y desechos provenientes de la limpieza de intercambiadores de calor. QUÍMICOS TÓXICOS son usados también en grandes cantidades por las refinerías. Son monitoreados por el Inventario de Descargas Tóxicas (TRI).

34 2.3.4 DESCARGAS EFLUENTES LÍQUIDOS EMISIONES AL AIRE
Aproximadamente metros cúbicos de agua de desecho por tonelada de crudo son generadas cuando se recicla el agua de enfriamiento. DESECHOS SÓLIDOS Las refinerías generan desechos sólidos y lodos en el rango de 3 a 5 kg por tonelada de crudo procesado, 80% de estos lodos pueden considerarse peligrosos por su contenido de compuestos orgánicos tóxicos y metales pesados.

35 2.3.4 DESCARGAS AL AMBIENTE POR PROCESO
PARTE 1

36 2.3.4 DESCARGAS AL AMBIENTE POR PROCESO
PARTE 2

37 2.3.4 DESCARGAS AL AMBIENTE POR PROCESO
PARTE 3

38 2.3.4 DESCARGAS AMBIENTALES POR PROCESO
PARTE 4

39 2.4 REGULACIÓN EN AMÉRICA DEL NORTE
La industria de Refinación de Petróleo es única en cuanto a que los requerimientos ambientales orientados a la industria son de dos tipos básicos: Requerimientos exigiendo calidades específicas de producto con el propósito de reducir el impacto ambiental asociado con el uso del mismo. Requerimientos dirigidos a reducir el impacto ambiental de las mismas refinerías. Para el propósito de este módulo, nos centraremos en las refinerías, que serán usadas para mostrar algunas técnicas de Integración de Procesos. Las refinerías de petróleo son plantas complejas, y la combinación y secuencia de procesos es usualmente muy específica de acuerdo a las características de la materia prima y los productos. Por esta razón, las regulación para este sector es muy específica y dispersa, porque una sola unidad de procesamiento tiene regulaciones para descargas al agua, aire y suelo, todas éstas legisladas por diferentes documentos oficiales.

40 REGULACIÓN EN U.S. EPA website En el caso de los Estados Unidos, existen numerosas regulaciones federales que afectan la industria de Refinación. La Agencia para la Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA) contiene varios documentos dependiendo del tipo de recurso que pretende proteger, (e.g. aire, agua y suelo). Cada uno de estos documentos presenta requerimientos que aplican para cada sector industrial. Entonces, cuando los requerimientos para cierta industria son necesitados, partes específicas del documento serán usadas. Por ejemplo, El Acta de enmiendas del Aire Limpio (Clean Air Act Amendments) de 1990 contiene algunos programas para reducir las emisiones al aire por industria dentro de las que se incluye a las refinerías: New Source Review, New Source Performance Standards National Emission Standards for Hazardous Air Pollutants Al mismo tiempo, en The New Source Performance Standards se encuentran algunas secciones para las refinerías: Subparte J Standards of Performance for Petroleum Refineries Subparte KKK Standards of Performance for Volatile Organic Liquid Storage Vessels. Subparte GG Standard of Performances for Stationary Gas Turbines. Subparte GGG Standards of Performance for Equipment Leaks of VOC in Petroleum Refineries

41 REGULACIONES EN U.S. Todas las secciones contienen diagramas de flujo, donde, dependiendo del proceso usado, debe aplicarse cierta norma. Para más información:

42 REQUERIMIENTOS FEDERALES QUE AFECTAN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN

43 NORMAS MEXICANAS En México, SEMARNAT (Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales) está a cambio de las regulaciones ambientales, pero no cubre todos los aspectos de una refinería porque algunos de ellos son muy específicos, por ejemplo, El Proyecto NOM-088-ECOL establece los niveles máximos permisibles de contaminantes en las descargas líquidas que provienen del almacenamiento y distribución del petróleo y sus derivados. Una clasificación de esta norma puede encontrarse en el sitio web: El documento completo puede ser revisado en:

44 2.4.3 REGULACIONES GENERALES
Además de todas las complicadas regulaciones, una agencia especializada de las Naciones Unidas, el Banco Mundial (World Bank), ha establecido niveles de emisión para el diseño y operación de las refinerías, aunque la legislación por países debe ser cumplida. Los lineamientos mostrados abajo presentan niveles de emisión normalmente aceptables para el World Bank Group. Emisiones de la Industria del Petróleo (miligramos por metro cúbico) Efluentes de la Industria del Petróleo (miligramos por litro) La generación de lodos debe ser minimizada hasta 0.3 kg por tonelada de crudo procesado, con un máximo de 0.5 kg por tonelada de crudo procesado. Desechos sólidos World Band Group, Pollution Prevention and Abatement Handbook. World Bank Group. Paginas

45 interceptor corrugado.
2.5 TECNOLOGÍAS AMBIENTALES USADAS EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO Tratamiento primario de agua de desecho Consiste en la separación de aceite, agua y sólidos en dos etapas. 1a etapa Separador API o plato interceptor corrugado. Más información sobre el equipo 2a etapa Métodos físicos y químicos son utilizados para separar aceites emulsificados del agua de desecho. Entre los métodos físicos se puede incluir el uso de una serie de estanques de sedimentación con gran tiempo de retención, o el uso de Flotación con aire disuelto (dissolved air flotation, DAF). Mas información sobre el equipo Químicos, como hidróxido férrico o hidróxido de aluminio son usados para coagular impurezas.

46 2.5 TECNOLOGÍAS AMBIENTALES USADAS EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
Tratamiento Secundario de agua de desecho Aceite disuelto y otros contaminantes orgánicos pueden ser consumidos biológicamente. El tratamiento biológico puede requerir oxígeno por diferentes técnicas: Unidades de Lodos Activados Filtros por goteo Contractores biológicos rotativos. Pulido Algunas refinerías lo emplean como una etapa adicional de tratamiento de agua de desecho para alcanzar los límites de descarga especificados. Genera biomasa como desecho la cual es tratada anaeróbicamente. Carbón activado Carbón de Antracita Arena

47 2.5 TECNOLOGÍAS AMBIENTALES USADAS EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
Tratamiento de gases y Recuperación de Azufre Para cumplir con los límites de emisión de SOx y recuperar el azufre vendible, las corrientes gaseosas salientes del proceso de refinación deben ser tratadas. Estos gases combustibles (metano y etano) deben ser separados antes de que el azufre elemental sea recuperado. Las corrientes gaseosas salientes del proceso contienen altos niveles de: Sulfuro de hidrógeno + gases combustibles ligeros. Esto se logra: Disolviendo el sulfuro de hidrógeno en solvente químico como dietanolamina (DEA) en una torre de absorción. Usando adsorbentes como tamices moleculares, carbón activado, esponja de hierro y óxido de zinc. Entonces es calentado y procesado por steam stripping para remover el sulfuro de hidrógeno gaseoso. Amina + sulfuro de hidrógeno Dos procesos son típicamente combinados para remover el azufre de las corrientes gaseosas de sulfuro de hidrógeno: Sulfuro de hidrógeno Proceso Beaven Proceso Scot Proceso Wellman-Land Proceso Claus

48 2.5 TECNOLOGÍAS AMBIENTALES USADAS EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
Tratamiento de Gases Otras fuentes de emisión vienen de la regeneración periódica de catalizadores, estas emisiones pueden contener: Niveles altos de monóxido de carbono + partículas + VOCs. CALENTADOR DE MONÓXIDO DE CARBONO Quema monóxido de carbono y VOCs Antes de ser liberadas a la atmósfera PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO O CICLÓN SEPARADOR Para remover partículas sólidas Mas información: Tratamiento de desechos sólidos Tratamiento de lodos usando bioremediación o extracción con solvente, seguido de combustión de residuos o usando asfalto. Los residuos pueden requerir estabilización antes de ser almacenados para reducir la filtración de metales tóxicos.

49 Como se mostró en la sección de estadísticas, existen dos industrias muy importantes para la economía y el desarrollo, las cuales también causan serios problemas ambientales, haciendo una conexión entre tres países. Esta investigación está orientada a mostrar la manera en que la Integración de Procesos puede ser aplicada exitosamente. Para lograrlo, usaremos dos de las principales industrias en América del Norte: Pulpa y Papel Petróleo

50 INDUSTRIA DE PULPA Y PAPEL
Los usos y aplicaciones del papel y los productos de papel son ilimitados. Es importante porque nos da una oportunidad de grabar, almacenar y diseminar información. También, es el material más ampliamente usado para envolver y empacar y tiene aplicaciones estructurales.

51 3. Industria del Papel 3.1 Fuerzas impulsoras, obstáculos y potencial.
3.2 Revisión del proceso de Pulpa y Papel. Diferentes métodos Principales pasos del proceso 3.3 Descargas al ambiente. 3.4 Regulación en América del Norte. Regulaciones en U.S. Regulaciones en Canadá Regulaciones generales 3.5 Mejores tecnologías ambientales disponibles para procesos específicos.

52 3.1 FUERZAS IMPULSORAS Los productos derivados del bosque de los Estados Unidos hacen una fuerte contribución a la economía de la nación, produciendo 1.2% del producto interno bruto. La industria emplea casi 1.3 millones de personas solo en los Estados Unidos. Productos de papel y madera son usados para muchas aplicaciones diferentes en casa y trabajo. La industria de la Pulpa y el Papel provee empleo a un vasto número de gente y juega un rol vital en la economía global de Estados Unidos y Canadá. La industria de Pulpa y papel es el tercer contaminante industrial más grande al aire, agua y suelo tanto en Estados Unidos como en Canadá, y libera más de cien millones de kilogramos de contaminantes tóxicos cada año.

53 3.1 OBSTÁCULOS La industria de Pulpa y Papel en Norte América está amenazada por: Plantaciones de bosques con especies de árboles de rápido crecimiento están siendo desarrolladas en países como Brasil, Indonesia y Chile. El estándar de calidad de las vigas se ha vuelto más costoso y difícil de alcanzar. Nuevos competidores, con menores costos de fibras, han ingresado al mercado (e.g. Rusia, Austria, Chile, Australia, Nueva Zelanda e Indonesia).

54 3.1 POTENCIALES La industria de Pulpa y Papel tiene algunas ventajas:
Alta calidad de los derivados de fibra de madera. Potencial en el mercado de Estados Unidos y Canadá. Acceso a suministros de energía seguros y de bajo costo. Acceso a contribución económica substancial para cosechar vigas para pulpa. La fortaleza económica de los Estados Unidos a finales de los 90 ha revivido la industria de la pulpa y el papel. Ahora, esta industria cuenta con uno de los mayores ritmos de crecimiento promedio annual.

55 MECÁNICO-QUÍMICO Combinación de los procesos previos.
3.2 REVISIÓN DEL PROCESO DE PULPA Y PAPEL La manufactura de pulpa para papel y cartulina emplea diferentes métodos: Separa las fibras usando métodos como abrasión de disco y billeting, esta pulpa puede usarse sin blanqueamiento para hacer papeles de impresión para aplicaciones en que bajo brillo es aceptable. Para otras aplicaciones, blanqueadores como los peróxidos e hidrosulfitos deben usarse. MECÁNICO Pulpas químicas se fabrican al preparar las materias primas usando los procesos Kraft (sulfato) y sulfito. Los procesos Kraft producen una variedad de pulpas usadas principalmente para empacar, como papel de gran resistencia y cartulina. Oxígeno, peróxido de hidrógeno, ozono, ácido perácetico, hipoclorito de sodio,dióxido de cloro, cloro y otros químicos son usados para transformar el lignin a su forma álcali soluble. QUÍMICO MECÁNICO-QUÍMICO Combinación de los procesos previos.

56 Almacén de Madera Obtención De pulpa Blanqueado Fabricación de Papel
3.2 REVISIÓN DEL PROCESO DE PULPA Y PAPEL Los pasos principales en la manufactura de pulpa y papel son: Almacén de Madera Estas etapas son comunes para los tres procesos, aunque se diferencian en las unidades que usan para cada tarea. Obtención De pulpa Blanqueado Los impactos más significativos de la manufactura de pulpa y papel resultan de los procesos de obtención de pulpa y blanqueado. Fabricación de Papel

57 PRINCIPALES TECNOLOGÍAS
3.2 REVISIÓN DEL PROCESO DE PULPA Y PAPEL La siguiente tabla presenta el propósito de cada uno de los procesos presentados antes y las tecnologías usadas para alcanzar su objetivo. PROCESO PROPÓSITO PRINCIPALES TECNOLOGÍAS OBTENCIÓN DE PULPA Convertir astillas de madera de papel de desecho en fibras adecuadas para la fabricación de papel. Químico (Kraft, sulfito)- digestores, refinadores mecánicos, digestores y refinadores semiquímicos. RECUPERACIÓN QUÍMICA (KRAFT PULPING) Recuperación de químicos inorgánicos del licor gastado de obtención de pulpa y la combustión de residuos orgánicos para producir energía. Evaporación, calentador de recuperación de concentración, causterizador, calcinador. BLANQUEADO Abrillantamiento de pulpas blanqueadas usando químicos que remueven selectivamente el lignin. Dióxido de cloro, hipoclorito, oxígeno, peróxido, ozono, de la cloración antes y después de las torres, lavadores a vacío, bombas y mezcladores. FABRICACIÓN DE PAPEL Preparar la reserva de la pulpa, hoja, deshidratación, secado y caleder. Caldera, mesa de fabricación de hojas.

58 3.3 DESCARGAS AL AMBIENTE EMISIONES AL AIRE EFLUENTES LÍQUIDOS
DESECHOS SÓLIDOS Los principales desechos sólidos de preocupación incluyen lodos de tratamiento de agua de desecho:: kg/t de ADP. ADP: Pulpa secada al aire (Air dried pulp), definida como 90% fibra de hueso seco y 10% agua. t:toneladas métricas.

59 DEL AIRE REGULACIÓN DEL AGUA 3.4 ASUNTOS REGULATORIOS
El grupo federal clave responsable por el ambiente es la EPA, que es una agencia regulatoria que establece y refuerza los estándares ambientales. El propósito de la EPA es conducir investigaciones y sugerir soluciones a los problemas ambientales. Simultáneamente, ha sido su obligación monitorear y analizar el ambiente. Los componentes de la legislación de más influencia en la industria de la pulpa y el papel son los lineamientos de limitación de efluentes que definen las condiciones mínimas de los efluentes para 1977 y 1983. REGULACIÓN EN U.S.

60 REGULACIÓN DEL AGUA Cerca de 1970, los estándares de calidad de las corrientes en los Estados Unidos fueron en su mayor parte, responsabilidad de los estados individuales. El gobierno federal fue dominante hasta 1970, cuando la Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA) fue establecida. En 1972, El Acta Federal de Control de Contaminación del Agua estipuló un programa gradual para satisfacer los criterios de descarga convencionales, el primer nivel objetivo para 1977 era equivalente a "Mejor tecnología práctica" (best practical technology”, BPT), y el segundo nivel para 1983 fue "mejor tecnología disponible económicamente factible" (best available technology economically achievable, BATEA). A principios de 1980, estas regulaciones incluyeron sustancias tóxicas o sub-tóxicas a través del National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES). Entre estas se encontraba un gran número de productos secundarios del proceso de blanqueamiento clorado. Después, la EPA incrementó la lista de contaminantes prioritarios. Las regulaciones federales de los E.U. que tratan la protección al ambiente cambian cada cuatro años. Es un reto constante para esta industria mantenerse actualizada. ANTECEDENTES ANTECEDENTES PARÁMETROS PARÁMETROS PARÁMETROS CONTAMINANTES TÓXICOS CONTAMINANTES TÓXICOS GW: groundwood NI: no-integrada Effluent Standards and Water Quality Information Advisory Committee (ES&WQIAC). The Council of Environmental Quality. National Commission on Water Quality Otras agencias:

61 CONTAMINANTES TÓXICOS
Establecimiento de Acuerdo de Contaminantes tóxicos:

62 REGULACIONES DEL AIRE PM HAP: Material peligroso en partículas sólidas (particulate matter hazardous material). TGO HAP: Material orgánico gaseoso peligroso total (total gaseous organic hazardous material.) Límites MACT II Representativos El Acta del Aire Limpio de 1963, fue un punto de referencia en la legislación. Representó la primera asignación por el gobierno federal de fondos significativos para los problemas de contaminación del aire. En 1970, el Presidente Richard Nixon decidió formar la Agencia de Protección al Ambiente de los E.U.A. la cual incorporaría a la Administración Nacional de Control de la Contaminación del Aire. Las enmiendas del Acta del Aire Limpio de 1970, cubrían 3 áreas primarias: Logro y mantenimiento de los Estándares Nacionales Ambientales de Calidad del Aire (NAAQS). Establecimiento de regulaciones cubriendo la emisión de ciertos contaminantes de recursos móviles y estacionarios. Establecimiento de Estándares de Rendimiento de Nuevas Fuentes (NSPS). EPA estableció estándares para varios contaminantes: dióxido de azufre, partículas suspendidas totales, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, oxidantes fotoquímicos, hidrocarburos, y plomo. NAAQS debía efectuar revisiones cada cinco años.  La CAA de 1990 es la legislación de contaminación del aire más dramáticamente impactante de todos los tiempos que se ha convertido en ley. Posiblemente más importante para la industria de la pulpa y el papel fue el nuevo programa de control de compuestos tóxicos del aire. La ley de 1990 dependió de la tecnología para controlar las emisiones de 189 contaminantes peligrosos del aire. Hablando sobre la industria de la Pulpa y el Papel, el objetivo de las regulaciones del aire es la eliminación de contaminantes del aire peligrosos como metanol, gases azufrosos reducidos totales y cloro. La Tecnología de Control Máxima Alcanzable (MACT) es el nivel de control del 12% de las mejores plantas en promedio de la base de datos de la EPA en esa categoría. Las reglas de MACT tienen tres etapas clasificadas por tipo de planta. MACT I es para plantas químicas de pulpa, incluyendo kraft, semiquímicas y de sulfito. MACT II es para kraft, soda, semiquímica y fuentes de combustión de sulfito incluyendo unidades de recuperación, tanques de fundido disuelto, y hornos de cal. MACT III es para máquinas de papel, fabricación mecánica de pulpa, fibras secundarias y fibras que no sean de madera. INFORMACIÓN GENERAL ANTECEDENTES ANTECEDENTES ANTECEDENTES PARÁMETROS PARÁMETROS

63 REGULACIÓN DEL AGUA REGULACIÓN DEL AIRE
NIVELES MÁXIMOS DE BOD Y CANTIDADES MÁXIMAS DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS AUTORIZADOS POR PLANTA. REGULACIÓN DEL AGUA REGULACIÓN DEL AIRE NO HAY VINCULACIÓN LEGAL FEDERAL CANADIENSE O REGULACIONES POR PROVINCIA PARA EMISIONES AL AIRE DE PLANTAS DE PULPA DE PAPEL PARA LA CALIDAD DEL AIRE. El primer grupo de regulaciones para la industria de la pulpa y el papel, que entró en vigor en 1971, no limitaba la cantidad total de contaminación, sino que más bien permitía la descarga de contaminantes en proporción a la producción de la planta. En 1991, el gobierno federal respondió a la presión pública introduciendo un esquema regulatorio que requería plantas para implementar sistemas de tratamiento secundario y se soportaba en límites para controlar la descarga de ciertos contaminantes dañinos, incluyendo dioxinas y furanos. En 1992, las Regulaciones de efluentes de Pulpa y Papel (Pulp and Paper Effluent Regulations) establecieron los estándares mínimos. En 1992, el gobierno federal canadiense decretó nuevas Regulaciones para los Efluentes de la industria de la Pulpa y el Papel (PPER) en el Acta de Pesca (Fisheries Act). Las PPER establecen límites de BOD5, TSS, y toxicidad aguda y además contiene numerosos reportes de requerimientos. Las regulaciones que limitan la descarga de dioxinas clorinadas y furanos también entraron en vigor en 1992 bajo el Acta Canadiense de Protección Ambiental (Canadian Environmental Protection Act, CEPA). Las regulaciones de CEPA y PPER resultaron en inversiones masivas para cambiar los procesos de blanqueado e instalar unidades de tratamiento secundario para finales de 1996 en muchas plantas canadienses. REGULACIONES CANADIENSES REGULACIONES CANADIENSES ANTECEDENTES ANTECEDENTES ANTECEDENTES PARÁMETROS PARÁMETROS

64 CANTIDAD MÁXIMA DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS AUTORIZADA PARA LAS PLANTAS.
Exceptuando donde una autorización o autorización transitoria es expedida autorizando el depósito de BOD o sólidos suspendidos, la máxima BOD o toda la materia de BOD y la cantidad máxima de sólidos suspendidos que pueden depositarse en caso de una empresa está determinada por: Con respecto a periodos de 24 horas, la fórmula: Para un mes, la fórmula es: Donde : F = es igual a un factor de 5 para BOD y 7.5 para sólidos suspendidos, expresados en kilogramos por tonelada de producto terminado. R = es la velocidad de producción de referencia. D = número de días del mes. Fuente original: Departamento de Justicia de Canadá

65 3.4.3 REGULACIONES GENERALES
Niveles de emisión para diseño y operación de cada proyecto deben ser establecidos por el proceso de asesoramiento ambiental en base a la legislación del país y el Manual de Prevención de la Contaminación, el cual establece lo siguiente. Emisiones al aire (miligramos por metro cúbico normal) Efluentes Líquidos Source: Pollution Prevention and Abatement Handbook World Bank Group. P

66 3.5 TECNOLOGÍAS AMBIENTALES INDUSTRIA DE PULPA Y PAPEL
Tratamiento de gases En el proceso kraft de obtención de pulpa, altas emisiones de compuestos reducidos en azufre, medidas como azufre total reducido (TRS), sulfuro de hidrógeno, metil mercaptano, sulfuro de dimetil y dimetil disulfuro son emitidos. Condensados del digestor y la evaporación de licor negro son procesadas por stripping para eliminar los compuestos de azufre reducidos. Emisiones de Óxido de azufre son lavadas (usando scrubbers) con soluciones ligeramente alcalinas. Mas información: Más información: La corriente superior procedente del stripper y los no condensables son incinerados en un horno de cal o una unidad de combustión. Los compuestos gaseosos reducidos de azufre son colectados usando cabezales, domos y equipo de ventilación.

67 Tratamiento de agua de desecho Tratamiento de desechos sólidos
3.5 TECNOLOGÍAS AMBIENTALES INDUSTRIA DE PULPA Y PAPEL Tratamiento de agua de desecho Para remover sólidos suspendidos: Neutralización Tamizado Sedimentación Flotación Para remover el contenido orgánico: Lodos activados Lagunas aereadas Fermentación anaeróbica Más información: Tratamiento de desechos sólidos Entre los pasos del tratamiento de desechos sólidos se incluyen la deshidratación de lodos y combustión en un incinerador, o calentador de combustión de combustible fósil.

68 TIER 2 : CASO DE ESTUDIO Este tier demostrará la relevancia de la Integración de Procesos para ejemplos específicos de procesos clave en la industria de la Pulpa y el papel así como en las Refinerías.

69 PROCESO KRAFT DE OBTENCIÓN DE PULPA
CASO DE ESTUDIO 1 PROCESO KRAFT DE OBTENCIÓN DE PULPA (Dunn y El-Halwagi, 1993) Como vimos en el Tier 1, el proceso de obtención de pulpa puede conseguirse por medios químicos, semiquímicos o mecánicos. Cerca del 80% de la pulpa de madera en los Estados Unidos es producida empleando el proceso químico Kraft. Un problema ambiental asociado con el proceso kraft es la emisión atmosférica de cantidades considerables de sulfuro de hidrógeno. Los serios problemas ambientales y de salud resultado de descargas de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera claman por procesos efectivos de reducción de desechos azufrados en las plantas de pulpa y papel. El propósito de este caso de estudio es emplear la metodología de redes de intercambio de masa para desarrollar un diseño óptimo de redes de reuso/reciclaje para reducir la emisión de sulfuro de hidrógeno para plantas de pulpa y papel.

70 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Lodo de cal Slaker Condensados contaminados Cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

71 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Astillas de madera, conteniendo lignin, celulosa y hemicelulosa son adicionados al licor blanco (NaOH, Na2S, Na2CO3). Las astillas son preparadas para solubilizar el lignin. Lavadores PULP Licor negro diluido Lodo de cal Slaker Condensado contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

72 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido El lignin solubilizado sale como licor negro, dejando atrás la celulosa y hemicelulosa que son constituyentes de la pulpa. Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

73 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Es enviado a blanqueamiento en el proceso de fabricación de papel, dependiendo del producto final deseado. Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

74 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Los constituyentes principales del licor negro son: NaOH, Na2S, Na2CO3, Na2SO4, Na2S2O3, NaCl, agua. Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de Disolución

75 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido El licor negro diluido es procesado a través de una serie de evaporadores para incrementar el contenido de sólidos de 15% a 70% aproximadamente. Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

76 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido El licor negro concentrado es incinerado para suministrar energía para el proceso de obtención de pulpa y de fundido inorgánico. Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

77 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Lodo de cal Na2CO3 y Na2S Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

78 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Lodo de cal El fundido es disuelto en agua para formar el licor verde. Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

79 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Lodo de cal NaOH, Na2S, Na2CO3 y agua. Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

80 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido La cal (CaO) es transformada en CaOH2 en presencia de agua. Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

81 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA El CaOH2 reacciona con Na2CO3 para formar NaOH y CaCO3 como precipitado. Licor negro diluido Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

82 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
El CaCO3 es calentado para regenerar el CaO y liberar CO2. ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA Licor negro diluido Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

83 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Digestor Clarificador de Licor blanco Licor blanco Horno de cal NaOH, Na2S, NaCO3 y agua. Causterizadores Lavadores PULP Licor negro diluido Lodo de cal Slaker Condensado Contaminado cal Evaporadores Licor negro concentrado Licor verde Horno de recuperación Fundido Tanque de disolución

84 FUENTES DE EMISIÓN DEL PROCESO KRAFT
ASTILLAS Tres fuentes principales en el Proceso Kraft son responsables de la mayoría de las emisiones de H2S. Digestor Licor Blanco Clarificador de Licor Blanco Horno de cal Causterizadores Lavadores PULPA R3 Licor negro diluido Emisiones Al aire Lodos de cal Condensado contaminado Stripping Con aire Evaporadores Stripping Con aire Slaker cal R2 Evaporadores Aire Agua de desecho Licor negro concentrado Horno de recuperación Licor verde Horno de Recuperación Fundido Tanque de disolución R1

85 AGENTES INTERNOS DE SEPARACIÓN DE MASA
Digestor Lavadores Evaporadores Horno de recuperación Tanque de disolución Slaker Causterizadores Clarificador de Licor blanco cal ASTILLAS PULPA Licor negro concentrado Fundido Lodos de White Liquor Cal Stripping Con aire Condensado contaminado Aire Agua de desecho Emisiones al aire Weak Black Liquor Green Muchas operaciones de Intercambio de masa como absorción o adsorción pueden ser empleadas para reducir las emisiones de H2S. Tres corrientes líquidas preexistentes en la planta (proceso de agentes de separación de masa, MSAs) pueden usarse. S1 Licor Blanco S2 Licor negro diluido S3 Licor verde

86 S6, Solución caliente de carbonato de potasio al 30 % en peso.
AGENTES EXTERNOS DE SEPARACIÓN DE MASA Tres agentes externos de separación de masa (external MSAs) serán considerados como candidatos potenciales para la recuperación de H2S: S4, Dietanolamina (DEA) S5, Carbón activado S6, Solución caliente de carbonato de potasio al 30 % en peso.

87 RED REACTIVA DE INTERCAMBIO DE MASA R1 R2 R3 A la atmósfera
Emisiones del horno de recuperación, R1 Emissiones del evaporador, R2 R3, Emisiones de Stripping con aire Licor blanco, S1 Licor verde, S2 Licor negro, S3 DEA, S4 Carbón Activado, S5 Solución caliente de K2CO3 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6

88 RED REACTIVA DE INTERCAMBIO DE MASA Tanque de disolución Causterizador
Emisiones del Evaporador, R2 R3, Emisiones del Stripping con aire Emisiones del Horno de Recuperación, R1 Tanque de disolución Causterizador Digestor Evaporadores Digestor Slaker Licor blanco, S1 S1 RED REACTIVA DE INTERCAMBIO DE MASA Licor verde, S2 S2 Licor negro, S3 S3 DEA, S4 S4 Carbón Activado, S5 S5 Solución caliente K2CO3 , S6 S6 R1 R2 R3 A la atmósfera

89 DATOS PARA EL PROBLEMA DEL PROCESO KRAFT
DATOS DE LAS CORRIENTES DE DESECHO DATOS PARA LOS AGENTES DE SEPARACIÓN

90 METODOLOGÍA DE DISEÑO GRÁFICO ALGEBRÁICO
Buscamos los potenciales de la reducción de desechos en el Proceso Kraft estableciendo un equilibrio entre los objetivos económicos y ambientales con el objetivo de obtener la configuración óptima para un sistema de reducción de desechos. La solución a este problema tendrá dos enfoques diferentes: GRÁFICO ALGEBRÁICO

91 Estos son los principales pasos que seguiremos para encontrar el diseño óptimo de redes de reuso/reciclaje para reducir las emisiones de sulfuro de hidrógeno de una planta de pulpa y papel usando un ENFOQUE GRÁFICO. OBTENER EL PUNTO PINCH INTERPRETAR LOS RESULTADOS ENFOQUE GRÁFICO GRAFICAR LA CORRIENTE POBRE CREAR UNA CORRESPONDENCIA UNO A UNO GRÁFICAR LA CORRIENTE RICA

92 CORRIENTE RICA COMPUESTA
El primer paso es graficar la masa intercambiada o cada corriente rica contra su composición. ENFOQUE GRÁFICO Cada flecha debe colocarse comenzando con la corriente de desecho que tenga la composición objetivo más baja. Cada corriente está representada como una flecha cuya cola corresponde a su composición inicial y la cabeza a su composición objetivo. La pendiente de las flechas será igual a la velocidad de flujo y la distancia vertical entre la cola y la cabeza de cada flecha representa la masa de contaminante que se pierde con cada corriente rica: MRi=Gi(yis – yit), i=1,2,…,NR.

93 CORRIENTE RICA COMPUESTA
ENFOQUE GRÁFICO La corriente rica compuesta representa la masa acumulada de contaminantes perdidos por todas las corrientes. The rich composite stream is obtained by applying superposition to the rich streams. y y

94 CORRESPONDENCIA UNO A UNO
El segundo paso es generar la correspondencia uno a uno entre las composiciones de las tres corrientes de desecho y las seis corrientes de MSAs. ENFOQUE GRÁFICO Consideremos una corriente de desecho i, y un MSA, j, para los que el equilibrio está dado por: yi*= fi(xj*) Para que cualquier operación de intercambio de masa se termodinámicamente factible se deben satisfacer algunas condiciones: xj<xj* y/o yi>yi* Para generar la correspondencia uno a uno se usa la siguiente ecuación: y=f(xj+εj) Donde εj es la diferencia de composición mínima permisible, lo cual significa que adicionamos una fuerza impulsora que permita la transferencia de masa. La explicación completa de estos conceptos es proporcionada en el Módulo 3.

95 ENFOQUE GRÁFICO CORRESPONDENCIA UNO A UNO
Algunos ejemplos de la generación de la correspondencia uno a uno son los siguientes: ENFOQUE GRÁFICO MSA1 Licor blanco MSA2 Licor verde Ecuación de equilibrio y1= x 10-9(10)1.1786x1 y2= x 10-9(10)2.8136x2 Adicionando la fuerza impulsora y1= x 10-9(10)1.1786(x1+ε1) ε1 = 7.64 y2= x 10-9(10)2.8136(x2+ε2) ε2 = 3.20 Correspondencia de suministro y1s= x 10-9(10)1.1786( ) y1s= 4.91 y2s= x 10-9(10)2.8136( ) y2s= 17.00 Correspondencia objetivo y1t= x 10-9(10)1.1786( ) y1t= 9186 y2t= x 10-9(10)2.8136( ) y2t= 11068 La ecuación de equilibrio para el MSA3 (Licor negro) es: y3=352.8 x

96 MSj= Ljc (xjt – xjs) j=1,2,…,NSP
CORRIENTE POBRE COMPUESTA La masa de contaminante que puede ganarse en cada proceso de MSA es graficada contra la escala de composición del MSA. Nuevamente usamos la regla diagonal de Superposición para obtener la masa acumulada de Contaminante ganado por todos los MSAs. ENFOQUE GRÁFICO La masa de contaminante que puede ganarse con cada MSA puede calcularse como sigue: MSj= Ljc (xjt – xjs) j=1,2,…,NSP También en este caso, las flechas representan cada uno de los procesos MSA, siendo la cola la composición de suministro y la cabeza la composición objetivo.

97 ENFOQUE GRÁFICO PUNTO PICH
Corriente Pobre Compuesta La superposición vertical entre las dos corrientes compuestas es la cantidad máxima del contaminante que puede ser transferida de las corrientes de agua de desecho a los MSA del proceso. Para garantizar la factibilidad termodinámica, la corriente pobre compuesta debe estar arriba y a la izquierda de la corriente compuesta de desecho. La distancia vertical referida como Exceso de masa Intercambiada corresponde a la capacidad de los MSA del proceso de remover los contaminantes que no pueden ser usados por la infactibilidad termodinámica. La corriente pobre compuesta puede deslizarse hasta que toque la corriente compuesta de desecho. El punto donde las dos corrientes compuestas se tocan es llamado "punto pinch de intercambio de masa". El próximo paso es graficar ambas corrientes compuestas en el mismo diagrama. Exceso de Masa Intercambiada Corriente Rica Compuesta Intercambio de masa Integrado Punto Pinch

98 ENFOQUE ALGEBRÁICO El enfoque Algebráico sigue los siguientes pasos:
DIAGRAMA DE CASCADA DE INTERCAMBIO DE MASA El enfoque Algebráico sigue los siguientes pasos: TABLA DE CARGAS INTERCAMBIABLES (TEL) ENFOQUE ALGEBRÁICO DIAGRAMA DE COMPOSICIÓN- INTERVALO CREAR CORRESPONDENCIA UNO A UNO

99 DIAGRAMA DE COMPOSICIÓN-INTERVALO (COMPOSITION-INTERVAL DIAGRAM, CID)
ENFOQUE ALGEBRÁICO El CID es una herramienta útil para visualizar el intercambio de masa asegurando la factibilidad termodinámica.

100 DIAGRAMA DE COMPOSICIÓN-INTÉRVALO (CID)
La escala de composición para la corriente de desecho está establecida. 2. Se crean escalas de composición correspondientes para el proceso MSAs. ENFOQUE ALGEBRÁICO INTERVALOS

101 ENFOQUE ALGEBRÁICO DIAGRAMA DE COMPOSICIÓN-INTERVALO (CID)
Estos intervalos están enumerados De arriba a abajo. R2 Las líneas horizontales están dibujadas a las cabezas y colas de las flechas para definir los intervalos de composición. INTERVALOS 1 2 3 4 6 5 7 R1 R3 3. Cada corriente de proceso está representada con una flecha vertical. S2 La cola de cada flecha representa su composición de suministro y la cabeza representa la composición objetivo. S1

102 TABLA DE CARGAS INTERCAMBIABLES (TABLE OF EXCHANGEABLE LOADS, TEL)
Al construir el TEL, queremos determinar las cargas de intercambio de masa de los procesos en cada intervalo de composición. Las cargas intercambiables de cada corriente de desecho que pase a través de cada intervalo es definida como: ENFOQUE ALGEBRÁICO Wi,kR = Gi(yk-1 – yk) W1,1R = ( ) W1,2R = 117( ) W2,2R = 0.433( ) Wj,kS = Lj(xj.k-1 – xj,k) W1,4S = 0.049( ) W1,5S = 0.04( ) W2,5S = 0.049( ) WkR = Σ Wi,kR W2R = W1,2R + W2,2R = WkS = Σ Wj,kS W5S = W1,5S + W2,5S =

103 k δ k-1 δ k WkR WkS ENFOQUE ALGEBRÁICO
TABLA DE CARGAS INTERCAMBIABLES (TEL) El Balance de Materia para contaminante clave debe hacerse para cada intervalo. Masa residual del Intervalo precedente δ k-1 ENFOQUE ALGEBRÁICO k Masa recuperada De corrientes De desecho WkR Masa transferida a MSAs WkS δ k Masa residual a Intervalo subsecuente

104 TABLA DE CARGAS INTERCAMBIABLES (TEL)
ENFOQUE ALGEBRÁICO La δk mas negativa es la capacidad en exceso de los MSAs del proceso al remover el contaminante. Una δk negativa indica que la capaicdad de las corrientes pobres de proceso a ese nivel es mayor que la carga de las corrientes de desecho.

105 TABLA DE CARGAS INTERCAMBIABLES (TEL)
ENFOQUE ALGEBRÁICO La capacidad en exceso del MSA de proceso debe ser reducida disminuyendo el flujo. El nuevo flujo es calculado como sigue: m3/s Otra TEL debe ser construida después de remover la capacidad en exceso del MSA. En el diagrama de cascada revisado, la localización a la cual la masa residual era la más negativa, debe ser cero. Esta corresponde al punto pinch. PUNTO PINCH

106 Con el enfoque gráfico observamos que el contaminante puede ser removido usando solo un MSA, así que no hay necesidad de una red. Este problema tiene diferentes soluciones que pueden considerarse dependiendo de cuanto se desea gastar. La siguiente figura representa una de las soluciones, en la cual se debe realizar un balance de materia para obtener el flujo correcto para cada absorbedor. R1 R2 R3 117 m3/s 3.08e-5 kmol/m3 465.8 m3/s 1.19e-5 kmol/m3 0.44 m3/s 8.20e-5 kmol/m3 2.1e-7kmol/m3 m3/s 0.320 kmol/m3 1.56e-4 m3/s 0.547 kmol/m3 Absorbedor 1 2 3 Licor blanco

107 R1 R2 R3 117 m3/s 3.08e-5 kmol/m3 465.8 m3/s 1.19e-5 kmol/m3 0.44 m3/s 8.20e-5 kmol/m3 m3/s 2.1e-7 kmol/m3 m3/s 0.32 kmol/m3 3.10 kmol/m3 Otra manera de realizar esta tarea es la siguiente, en la cual las corrientes ricas están destinadas a desecho y pueden ser mezcladas y tratadas como una corriente, también, su arreglo es más deseable en términos de costos porque solo se requiere una unidad. Absorbedor Licor blanco

108 DESECHOS DE REFINERÍAS DE PETRÓLEO
CASO DE ESTUDIO 2 DESECHOS DE REFINERÍAS DE PETRÓLEO Una de las principales preocupaciones en las refinerías es la liberación de fenoles, aunque descritos como tales, la categoría puede incluir una variedad de compuestos químicos similares entre los cuales se encuentran polifenoles, clorofenoles y fenoxiácidos. La importancia de estos compuestos se debe a su toxicidad a la vida acuática y a la gran demanda de oxígeno de la que provocan en las aguas que los reciben. Los fenoles son tóxicos para los peces y también pueden causar sabor y olor cuando están presentes en el agua potable.

109 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El siguiente caso de estudio aplica algunas habilidades de Integración de Procesos para mostrar la metodología nuevamente y hacerla más comprensible. Este problema fue tomado de El-Halwagi, M. “Pollution Prevention through Process Integration”, 1997. “El proceso genera dos fuentes principales de agua de desecho fenólica; una de la unidad de cracking catalítico y otra del sistema de visbreaking. Dos tecnologías pueden ser usadas para remover fenol de R1 y R2: extracción con solventes usando gas oil ligero, S1 (un proceso MSA) y adsorción usando carbón activado, S2 (un MSA externo). Una diferencia de composición mínima permisible, εj, de 0.01 puede usarse para los dos MSAs. Encuentra el costo mínimo de los MSAs necesitados para remover el fenol de R1 y R2 construyendo un diagrama pinch para el problema.¿Cómo caracterizarías el punto al cual ambas corrientes compuestas se tocan? ¿Es un verdadero punto pinch?" DATOS Corriente Rica MSAs

110 Tratamiento y Mezclado
LPH y Gas Gasolina Nafta Destilados medios Gas Oil Compuestos de Base lubricante Tratamiento y Mezclado Gas Combustible refinado Aceite Combustible Refinado Combustibles Industriales Asfaltos Grasas Aceites lubricantes Combustibles de aviación Diesels Heating oils LPG Gasolina Solventes DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Unidad de endulzamiento Estabilizador Destilación Atmosférica Al vacío Gas Gasolina Gas oil Ligero Agua de desecho, R1 Gasolina dulce Destilados medios Aceite lubricante Ceras Gasolina, Naftha y Destilados Medios Aceite combustible Asfalto Agua de desecho, R2 Hidrotratamiento El primer paso en una refinería de petróleo es precalentar el crudo, entonces es lavado con agua para remover varias sales. El gas oil y los compuestos pesados son alimentados a una unidad de cracking catalítico para ser convertidos en fracciones de menor peso molecular. La principal corriente de desecho de este proceso es el condensado del stripping en las columnas de fraccionamiento. Este condensado, que comunmente contiene amoniaco, fenoles y sulfuros como contaminantes, tiene que pasar por un stripper para remover el amoniaco y los sulfuros. El producto de fondo del stripper debe ser tratado para eliminar los fenoles. El gas oil ligero que sale del fraccionador puede servir como solvente (lean-oil) en un proceso de extracción de fenol, siendo ésta una transferencia de masa beneficiaria porque además de purificar el agua, los fenoles pueden actuar como inhibidores de la oxidación y como estabilizantes de color. Cracking Catalítico Extracción con Solventes y Remoción de ceras Los objetivos principales del visbreaking son reducir la viscosidad y los puntos de fluencia de los fondos en la destilación al vacío e incrementar la alimentación a las unidades de cracking catalítico. La fuente de agua de desecho es el acumulador de cabezas del fraccionador, donde el agua es separada del vapor de hidrocarburos. Esta agua contiene fenoles, amoniaco y sulfuros. Visbreaker

111 1. GRAFICAR LA CORRIENTE RICA

112 1. GRAFICAR LA CORRIENTE RICA

113 y = m(x+ε) + b y=f(xj+εj) y1s = 2(0.01+0.01) = 0.04
2. CORRESPONDENCIA UNO A UNO Para generar la correspondencia uno a uno, usamos la siguiente ecuación: y=f(xj+εj) Donde εj es la diferencia de composición mínima permisible. εj=0.01 En este caso la ecuación de equilibrio es lineal: y = m(x+ε) + b y1s = 2( ) = 0.04 y2s = 0.02( ) = y1t = 2( ) = 0.06 y2t = 0.02( ) =

114 3. GRAFICAR LA CORRIENTE POBRE
x1s x1t

115 4. OBTENER EL PUNTO PINCH y x1 x2
La Corriente 1 no sería útil, ya que se deben usar MSAs antes y después de usar esta corriente. Lo que significa que éste no es un verdadero punto pinch. y x1 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 x2 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

116 5. INTERPRETAR LOS RESULTADOS
Unidad 1 Unidad 2 La corriente pobre puede recorrerse para remover el contaminante en otro rango de composiciones, pero aún se necesitarían tres unidades. Unidad 3 y

117 5. INTERPRETAR LOS RESULTADOS
Unidad 1 Si la corriente pobre remueve el contaminante debido a su composición más alta, solo se requieren 2 unidades. Unidad 2 y x1 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 x2 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

118 5. INTERPRETAR LOS RESULTADOS
Masa removida por el proceso MSA Masa removida por un MSA externo y

119 Alan P. Rossiter. Waste Minimization through Process Design. pp 43-49
Alan P. Rossiter. Waste Minimization through Process Design. pp McGraw Hill Nicholas P. Cheremisinoff, Handbook of Pollution Prevention Practices. pp , Marcel Dekker Inc The World Bank Group. Pollution Prevention and Abatement Handbook pp , El-Halwagi, M. M. Pollution Prevention through Process Integration. Academic Press Dunn R., El-Halwagi, M. M. Optimal Recycle/Reuse Policies for Minimizing the Wastes of Pulp and Paper Plants. J. Environ. Sci. Health, A28(1), (1993). El-Halwagi, M.M., El-Halwagi, A.M., Manousiouthakis, V. Optimal Design of the Phenolization Networks for Petroleum-Refinery Wastes. Trans IChemE, Vol 70, Part B, pp August 1992. Environmental Update #12, Hazardous Substance Research Centers/Southwest Outreach Program, June 2003. Abdallah S. Jum’ah, president and CEO, Saudi Aramco. Petroleum and social responsibility: and agenda for action. News Feature. First bread volume October 2002. Energy and Environmental Profile of the U.S. Petroleum Refining Industry. December U.S. Department of Energy, Office of Industrial Technologies EPA Office of Compliance Sector Notebook Project, Profile of the Petroleum Refining Industry, September 1995. National Pollutant Release Inventory (Canada) 2001 Toxic Release Inventory Executive Summary (US) Input to the AMG Working Group Studying the Impact of Greenhouse Gas Abatement on the Competitiveness of Canadian Industries. Pulp, Paper and Paperboark Mills. Manufacturing Industries Branch. Industry Canada. March 11, 2002 Instituto Nacional de Estadistica, Geografia e Informatica (Mexico)