Introducción a la Integración de Procesos Program for North American Mobility in Higher Education NAMP Módulo 8 Introducción a la Integración de Procesos Tier III Introducing Process integration for Environmental Control in Engineering Curricula PIECE Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

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Tabla de contenido Resumen del Proyecto Instituciones participantes Creadores del módulo Estructura y Propósito del Módulo Tier III Enunciado de propósito El proceso Kraft de fabricación de pulpa Hoja de cálculo del Proceso Kraft Tratamiento de agua de desecho en el Proceso Kraft de fabricación de pulpa Energía en el Proceso Kraft de fabricación de Pulpa Pregunta 1 Pregunta 2 Pregunta 3 Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Resumen del Proyecto Objetivos Instituciones Participantes Crear módulos web para ayudar a las universidades a realizar la introducción de la Integración de Procesos a la currícula de Ingeniería Hacer de estos módulos ampliamente disponibles en cada uno de los países participantes Instituciones Participantes Dos universidades de tres países (Canadá, México y Estados Unidos de América) Dos institutos de investigación en diferentes sectores industriales: petróleo (México) y pulpa y papel (Canadá) Cada una de las seis universidades ha patrocinado a 7 estudiantes de intercambio durante el periodo de la beca, subvencionados en parte por cada uno de los gobiernos de los tres países Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

PIECE Process integration for Environmental Control in Engineering Curricula Paprican École Polytechnique de Montréal Universidad Autónoma de San Luis Potosí University of Ottawa Universidad de Guanajuato North Carolina State University Instituto Mexicano del Petróleo University of Texas A&M NAMP Program for North American Mobility in Higher Education Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Este módulo fue creado por: Institución Anfitriona Carlos Alberto Miranda Alvarez Paul Stuart De Institución Anfitriona Profesor Anfitrión Martin Picon-Nuñez Jean-Martin Brault Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

¿Cuál es la estructura de este módulo? Estructura del Módulo 8 ¿Cuál es la estructura de este módulo? Todos los módulos están divididos en 3 tiers, cada uno con una meta específica: Tier I: Antecedentes Tier II: Aplicaciones a Caso de Estudio Tier III: Problema de Diseño Propuesto Se pretende completar estos tiers en ese orden particular. Los estudiantes son evaluados en varios puntos para medir su grado de comprensión, antes de proseguir al siguiente nivel. Cada tier contiene un enunciado de propósito u objetivo al inicio y un quiz al final. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

¿Cuál es el propósito de este módulo? Propósito del Módulo 8 ¿Cuál es el propósito de este módulo? Es el objetivo de este módulo cubrir los aspectos básicos de los Métodos y herramientas de Integración de Procesos , y colocar a la Integración de Procesos en una perspectiva más amplia. Está identificado como un prerrequisito para otros módulos relacionadas con el aprendizaje de Integración de Procesos. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III Problema propuesto Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III Enunciado de Propósito El objetivo de este tier es resolver una aplicación real de la Integración de Procesos, en la cual el estudiante debe interpretar los resultados obtenidos con una variedad de herramientas de Integración de Procesos. Al final del Tier III, el estudiante debe ser capaz de identificar lo siguiente: Beneficios del uso de las herramientas de Integración de Procesos Oportunidades potenciales de ahorro en costo por el uso de herramientas de Integración de Procesos Reducción del impacto ambiental resultante por la aplicación de herramientas de Integración de Procesos Cómo puede ser usada la aplicación de herramientas de Integración de Procesos para obtener un proceso operable Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

El proceso Kraft de fabricación de pulpa Tier III – Enunciado del Problema El proceso Kraft de fabricación de pulpa Las características básicas de un proceso Kraft de fabricación de pulpa se muestran en la siguiente diapositiva. Las astillas de madera (conteniendo 50% de agua) son llevadas de una tolva a una unidad de preevaporación para facilitar la subsecuente impregnación de las astillas con químicos. Un alimentador a alta presión transfiere las astillas de la vasija de preevaporación a un digestor. En el digestor, las astillas son "cocinadas" usando licor blanco (una mezcla de químicos como NaOH, Na2S, Na2CO3 y agua) para solubilizar la lignina en las mismas. En el proceso de cocción se produce metanol. Después de la digestión de la lignina, los químicos de cocción son retirados de la pulpa. Una unidad de lavado a contracorriente y de múltiples etapas es usada para minimizar el transporte de químicos con la pulpa. Los químicos residuales del proceso de fabricación de pulpa son llamados licor negro diluido (licor negro débil). El licor negro contiene sales de sodio (hidróxidos, sulfuro, carbonato, cloruro, sulfito y sulfato), lignina disuelta, metanol y agua. Antes de que el efluente del digestor sea alimentado a los lavadores, la pulpa cocida y el licor son pasados a un tanque de soplado donde la pulpa es separada de licor negro diluido que es alimentado a un sistema de recuperación por conversión a licor blanco. El primer paso en la recuperación es la concentración del licor negro diluido por medio de evaporadores de múltiple efecto. La solución concentrada es rociada en un horno de recuperación. El proceso de evaporación resulta en la generación de una gran cantidad de condensado combinado clasificado como una corriente de agua de desecho y de desecho gaseoso cuyo contaminante primario es H2S. El fundido del horno es disuelto en agua para formar licor verde que es reaccionado con cal (CaO) para producir licor blanco y "lodo" de carbonato de calcio. El licor blanco recuperado es mezclado con materiales frescos y reciclado al digestor. El carbonato de calcio en lodo es descompuesto térmicamente en un horno para producir cal que es usada en la reacción de causterización. Hay varios desechos gaseosos emitidos por el proceso, algunos de los cuales pueden ser usados para la generación y cogeneración de vapor. Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III – Enunciado del Problema CAUSTERIZACIÓN SEDIMENTACIÓN Y FILTRACIÓN DIGESTOR TANQUE DE SOPLADO HORNO DE RECUPERACIÓN DISOLUCIÓN HORNO DE CAL EVAPORADORES DE MÚLTIPLE EFECTO Cal Licor blanco recuperado Pulpa para procesamiento posterior Gases Gas fuera Astillas de madera Vapor Licor negro diluido Licor negro concentrado (licor negro fuerte) Condensado Gas de chimenea Fundido Agua Licor verde Carbonato de calcio Aire Desecho Gaseoso LAVADORES Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III – Enunciado del Problema Tratamiento de agua de desecho en el proceso de Kraft de fabricación de pulpa Las plantas de pulpa y papel emplean altos niveles de agua fresca que llevan a la generación de una cantidad significativa de efluente acuoso. Por tanto, la optimización de el uso de agua y de las descargas de agua de desecho representa un reto importante para la industria. Debido al contacto directo del agua con varias especies, las corrientes acuosas están cargadas con varios componentes incluyendo metano, elementos de no-proceso y especies orgánicas e inorgánicas. El metanol está clasificado como un contaminante de alta prioridad por la industria de fabricación de pulpa . En adición, éste puede proveer una fuente de ingresos si es recuperado correctamente. El metanol puede encontrarse en la mayoría de las corrientes de agua de desecho del proceso Kraft de fabricación de pulpa, particularmente en el condensado que sale de los evaporadores de múltiple efecto y los condensadores usados para condensar el vapor de la unidad de preevaporación antes de que las astillas de madera sean llevadas al digestor. Todas las corrientes de desecho son tratadas por biotratamiento y luego son descargadas a un río. Cualquier corriente descargada al río debe tener una composición de metanol no excedente a 15 ppmw. La siguiente información está disponible para la instalación de biotratamiento: Composición aceptable de metanol entrando a biotratamiento < 1.000 ppmw Composición promedio de metanol a la salida = 15 ppmw Costo de operación del biotratamiento = 0.11*M + 0.0013*G donde M es la carga másica (kg/h) de metanol y G es el flujo de agua de desecho (kg/h) Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III – Enunciado del Problema Tratamiento de agua de desecho en el proceso de Kraft de fabricación de pulpa (2) La cantidad de metanol en el agua de desecho puede ser reducida usando stripping con aire y recuperado de las corrientes acuosas para proveer ventas de metanol mayores que los costos de recuperación. El flujo de aire es determinado como sigue: L = 0.5*ƒ*G Donde L y G son los flujos másicos (kg/h) de aire y agua de desecho, respectivamente, y ƒ es la remoción fraccional másica de metanol del agua por stripping. El costo de operación del stripping con aire es dado por la siguiente relación: Costo de Operación (US$/h) = 0.003*L (kg aire/h) Este costo incluye la compresión de aire y la condensación del metanol. El operador de la planta de tratamiento de agua de desecho también tiene problemas prediciendo cuando el proceso de tratamiento pasará de un régimen operacional a otro o cuando el proceso producirá agua con concentraciones superiores a los límites permitidos de metanol y otros contaminantes. Él dispone de los últimos tres años de datos de operación de las instalaciones de tratamiento pero no sabe como interpretar tal cantidad de información. Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III – Enunciado del Problema Tratamiento de agua de desecho en el proceso de Kraft de fabricación de pulpa (3) Junto con el metanol como uno de los principales contaminantes encontrados en los efluentes acuosos de las plantas con proceso Kraft, se presentan otros compuestos orgánicos e inorgánicos. Estos incluyen cloroformo, formaldehído, fenol, etc. dependiendo de la planta y el proceso usado. El fenol es importante primariamente por su toxicidad, deterioro del oxígeno y turbidez. Además, el fenol puede causar sabor y olor desagradables en los peces y el agua potable. Muchas técnicas pueden ser usadas para separar fenol. Tres tecnologías externas son consideradas aquí para la remoción de fenol. Estos procesos incluyen adsorción usando carbón activado, intercambio iónico usando resina polimérica y stripping usando aire. Los costos operacionales para cada método comprenden el costo de material fresco y el cossto de regeneración. Para el carbón activado, el vapor es usado para regenerar el agente separador de masa cuando se usa sosa cáustica (NaOH) para la regeneración de la resina de intercambio iónico. En el caso del stripping con aire, la corriente gaseosa que abandona la unidad de intercambio de masa no puede ser descargada a la atmósfera a causa de las regulaciones de calidad del aire. Por lo tanto, el aire de salida de la unidad de separación es alimentado a una unidad de recuperación de fenol en la cual se usa un refrigerante para condensar el fenol. El costo operacional relacionada a cada tecnología es entonces 0.737 US$, 1.150 US$ y 2.069 US$ por kg de fenol removido por carbón activado, resina de intercambio iónico y stripping con aire respectivamente. Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa Tier III – Enunciado del Problema Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa El proceso Kraft de fabricación de pulpa es un proceso muy intensivo energéticamente: los usos finales de energía comunes a todas las plantas de pulpa y papel incluyen el bombeo, manejo de aire e iluminación. Además, las necesidades de vapor y el gran número de corrientes de proceso hacen de este sector industrial un buen candidato para la integración de calor mejorada. La concentración de licor negro es, usualmente, la mayor corriente individual usada en la operación de una planta de proceso Kraft. Los evaporadores instalados en los 60's y 70's fueron construidos con cuatro o cinco efectos, mientras que la mayoría de las plantas Kraft hoy en día usan evaporadores con cinco o seis efectos, con un concentrador para incrementar posteriormente el contenido de sólidos. La activación del boiler de recuperación con el licor negro con alto contenido de sólidos mejora el desempeño global del boiler y es una tendencia general en la industria. Para considerar este problema de consumo de energía, una planta Kraft de pulpa usa biomasa. En efecto, además de ser la alimentación para la producción de pulpa y papel, la biomasa es también una fuente de energía para la industria. La cual también tiene acceso a los residuos del cultivo de pulpa de madera, algunos de los cuales pueden ser removidos del bosque con base sostenible. Todo el licor negro y la mayoría de los residuos de la planta son usados en los sitios de la misma planta para sistemas de cogeneración de combustible, para proveer vapor y electricidad para uso "en sitio". La cogeneración también conocida como Energía y Calor combinados (Combinated Heat and Power, CHP) es la producción simultánea de electricidad y calor útil del mismo calor o energía. Un sistema de cogeneración típico consiste en un motor, turbina de vapor o turbina de combustión que opera un generador eléctrico. Un intercambiador de calor de desecho recupera calor desprendido por el motor y/o gas exhausto para producir agua caliente o vapor. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa (2) Tier III – Enunciado del Problema Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa (2) La cogeneración produce una cantidad dada de energía eléctrica y calor de proceso con 10% a 30% menos combustible que el necesario para producir la electricidad y el calor de proceso por separado. Las instalaciones con sistemas de cogeneración los usan para producir su propia electricidad, y usan el calor en exceso sin usar (desecho) del vapor de proceso, calentamiento de agua y otras necesidades térmicas. Ellos también pueden usar el calor excesivo de proceso para producir vapor para la producción de electricidad. En la recuperación química, la planta de vapor y las áreas de cogeneración, sólidos del licor de pulpa, desechos de madera comprados y autogenerados y lodos del clarificador primario de la planta de tratamiento de agua de desecho son quemados para recuperar químicos de cocción y para producir energía. Los licores gastados de la fabricación de pulpa conforman mas del 70'% de los combustibles derivados de biomasa usados en la industria de la pulpa y el papel hoy en día. En el proceso de recuperación, el licor negro concentrado de los evaporadores es rociado en el boiler de recuperación donde el contenido orgánico del licor es quemado, liberando energía y produciendo vapor para su uso en la planta. Además de la combustión, la porción inorgánica del licor negro concentrado produce un gas de chimenea. La razón de producción "electricidad a calor" (electricity-to-heat production) para un sistema de cogeneración de una turbina de vapor "back-pressure" convencional varía en el rango de 40-60 kWh/GJ, que es relativamente bueno para las necesidades de vapor y electricidad en plantas Kraft antiguas. Razones de "electricidad a calor" mucho más grandes son posibles usando biomasa y tecnologías de cogeneración de licor negro basadas en turbinas de gas mas que en turbinas de vapor. El desarrollo de tecnologías orientadas a la comercialización para convertir licor negro o residuos de biomasa en gas combustible están en curso, junto con los sistemas de limpieza que serían necesarios para permitir el uso del gas en ciclos de turbinas de gas. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Tier III – Preguntas Pregunta 1. Tratamiento de agua de desecho en el proceso Kraft de fabricación de pulpa ¿Qué herramientas de Integración de Procesos pueden ser usadas para alcanzar todos los temas presentados en las diapositivas relacionadas al metanol? Define los pasos en la metodología que usarías para responder los siguientes puntos: Minimización de metanol en las corrientes de agua de desecho así como el uso reducido de agua y la descarga reducida de agua de desecho Trade-off entre la minimización de costos operacionales relacionados a los elementos establecido en (A) y los beneficios resultantes de la recuperación de metanol Interpretación y uso de los datos operacionales de proceso para ayudar al operador de la planta de tratamiento a obtener un mejor control de la operación de la planta de tratamiento de agua de desecho Pregunta 2. Tratamiento de agua de desecho en el proceso Kraft de fabricación de pulpa (2) Usando tu conocimiento de las herramientas de integración de proceso, describe la metodología que puede ser usada para elegir el mejor agente separador de masa para tratar las corrientes de desecho de fenol en esta planta Kraft de pulpa y papel. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Pregunta 3. Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa Tier III – Preguntas Pregunta 3. Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa Con el conocimiento de Integración de Procesos adquirido a lo largo de los dos tiers anteriores, propón una metodología que ayude a identificar las posibilidades de ahorro de energía así como el potencial para cogeneración en una planta Kraft de fabricación de pulpa. Elabora cada uno de los pasos tomados en cuenta para el estudio y recuerda incluir en tu propuesta el impacto de tu solución en el ambiente. Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos

Fin del Tier III Este es el fin del Módulo 8. Por favor presente su reporte a su profesor para evaluación. Siempre estamos interesados en sugerencias sobre como mejorar el curso. Contáctenos en http://process-integration.tamu.edu/ Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos