ANÁLISIS DE DIAGRAMAS DE FLUJO PARA LA PREVENCIÓN DE CONTAMINAICÓN CAPÍTULO 9 ANÁLISIS DE DIAGRAMAS DE FLUJO PARA LA PREVENCIÓN DE CONTAMINAICÓN Website del curso de Diseño para el Ambiente del Prof. Allen, Texas University: http://www.utexas.edu/research/ceer/che341/ Case study at this web site: http://www.utexas.edu/research/ceer/che341/Projects/Tier%202%20flowsheet%20analysis.pdf

Objetivo: Discutir los métodos para la evaluación y mejoramiento del grado de integración de las unidades. El mejoramiento de la integración de procesos puede llevar al mejoramiento global de las eficiencias de masa y energía. El objetivo fue tomado del Curso D. Allen en Diseño Ambiental www.utexas.edu/depts/dos/sjs

Contenido Análisis cualitativo Análisis del Flujo de Material Generalidades del Análisis de Diagramas de Flujo Procedimientos de Diseño Jerárquico Análisis cuantitativo Recapitulación HAZ-OP Integración Masa de Proceso Integración de Energía de Proceso Narración : El desempaño ambiental de un diagrama de flujo dado es dependiente del desempeño de las operaciones unitarias así como de la complejidad de la integración y redes de las corrientes de proceso. Para evaluar el desempeño de la integración de las operaciones unitarias en el proceso, no enfocaremos a la integración de masa y energía, así como al análisis cuanti y cualitativo

Análisis Cualitativo Narración : Estos análisis cualitativos están basados principalmente en datos de corridas experimentales existentes, pero pueden ser aplicados a ciertas etapas de diseño. El análisis de flujo de materia usa balances de masa para identificar las oportunidades de prevención de contaminación.

Análisis del Flujo de Material Establecer : Límites del Sistema : Deben ser claramente definidos Su especificación impacta directamente al proyecto No existe una opción correcta o incorrecta Nivel de Detalle Requerido (relevante o irrelevante) ¿Un análisis detallado del balance de masa permite obtener información importante acerca de los flujos de desecho? Narración : El uso de balances de masa es la técnica más simple pero presenta algunas implicaciones cuando se aplica a la prevención de contaminación. Es importante establecer los límites del sistema y también los detalles de medición para analizar apropiadamente los flujos de materiales. El establecimiento de límites específicos del sistema tiene un impacto definitivo en la prevención de contaminación. Por ejemplo, si se especifica para una operación unitaria específica, la operación puede mostrar mejoras, pero al examinar el proceso en general, puede causar más daño que mejora. El nivel de detalle requerido también impacta el análisis. En algunos casos, es importante tener información detallada de los balances de masa, pero en otros procesos, esta información no es relevante.

Generalidades de la Revisión de Diagrama de Flujo de un Proceso Existente para Oportunidades de Prevención de Contaminación Pasos principales para evaluar el diagrama de flujo de un proceso existente Establecer los Límites del Sistema de Proceso Auditoria de la Corriente de Desecho (balance de masa u otros) Examinar Opciones PC para Corrientes de Desecho Examinar Opciones PC para Operaciones Unitarias Evaluar el Impacto de Cada Opción PC en el Proceso Completo y en el Producto Terminado Narración : Este análisis es pensado para procesos existente. Está relacionado con el análisis HAZ-OP donde los potenciales peligros asociados con las diferentes corrientes de proceso son evaluados cuanti o cualitativamente para evaluar fallas potenciales en cada nivel. Un análisis similar usado para la prevención de contaminación podría incluir los pasos principales mencionados arriba.

Procedimiento Jerárquico de Diseño para Prevención de Contaminación Información de entrada : tipo de problema Estructura de entrada/salida del diagrama de flujo Estructura de reciclo del diagrama de flujo Especificaciones del sistema de separación Estructura general : separaciones de fase Sistema de recuperación de vapor Sistema de recuperación de líquidos Sistema de recuperación de sólidos Integración de energía Evaluación de alternativas Flexibilidad y control Seguridad Narración : Esta jerarquía demuestra las herramientas usadas para evaluar el impacto ambiental a nivel de diseño del proceso. Es diseñado para ser útil en cualquier etapa del diseño de procesos.

Análisis Cuantitativos Websites Interesantes para entender el método HAZOP http://www.acusafe.com/Hazard_Analysis/Hazard_Analysis-HAZOP.htm http://www.absconsulting.com/

Recapitulación HAZ-OP Narración: El estudio de peligrosidad y operabilidad (HAZ-OP) es un procedimiento formal aplicado para identificar los peligros potenciales entre las unidades químicas individuales de proceso. Es efectuado por un equipo de ingenieros y operadores familiarizados con el proceso. El estudio investiga las causas posibles y las consecuencias de los peligros, no sólo en n un proceso existente sino también en su etapa de diseño. Green engineering, pp: 294. Imagen tomada de: http://www.uscg.mil/hq/gm/risk/e-guidelines/html/vol3/08/v3-08-cont.htm from the US Coast Board http://www.uscg.mil/hq/gm/risk/e-guidelines/html/vol3/08/v3-08-cont.htm

Narración: “La metodología para el estudio HAZOP es aplicar una serie de palabras guía para el proceso de diseño. Esta etapa relaciona los pasos o unidades de proceso con lo que se desea obtener” Green engineering, pp: 294. http://listserv.ac.il/~dlewin/054402/LECTURE_11.pdf http://www.uscg.mil/hq/gm/risk/e-guidelines/html/vol3/08/v3-08-cont.htm

Explicar la intención del diseño del proceso o del paso de operación Elegir un proceso u etapa de operación Explicar la intención del diseño del proceso o del paso de operación Repetir para todas las secciones del diseño o etapas de operación Elegir una variable o tarea de proceso Repetir para todas las variables o tareas de proceso Aplicar la palabra guía a la variable o tarea de proceso para desarrollar una desviación significativa Repetir para todas las palabras guía Listar posibles causas de desviación Desarrollar ítems de acción Procedimiento HAZOP propuesto por la Safety Management Services, Inc: http://www.sms-ink.com/services_pha_hazop.html Examinar consecuencias asociadas con la desviación (asumir que falla toda la protección) Obtener aceptabilidad de riesgo basado en consecuencias, causas y protección Identificar las protecciones existentes para prevenir desviaciones

Integración de Energía de Proceso (PEI) Meta : integrar energía que de otra manera sería desechada para mejorar costos ambientales y económicos. Restricciones termodinámicas a la transferencia de calor : Cantidad de calor absorbido por la corriente fría = pérdida de calor por la corriente caliente Flujos de calor de las corrientes de más alta temperatura a las corrientes de baja temperatura Diagrama pinch (ver siguiente diapositiva) Narración : Se requiere que las corrientes de enfriamiento y calentamiento se mantengan y alcancen su condición ideal. El enfriamiento generalmente requiere agua de enfriamiento de las torres de enfriamiento, las cuales requieren energía, lo que contribuye a repercusiones económicas y ambientales. El calentamiento es usualmente llevado acabo por hornos o por contacto de las corrientes de proceso o por otros fluidos transportadores de energía. Esto generalmente involucra la combustión de combustibles lo que resulta, otra vez, en repercusiones negativas económicas y ambiéntales. La solución ideal para minimizar los costos económicos y ambientales en la integración de energía de proceso es usar el calor de una corriente que necesita ser enfriada para calentar una corriente que necesite ser calentada. Esto puede lograrse usando el diagrama pinch, el cual gráficamente muestra las corrientes a ser calentadas y enfriadas. (ver la siguiente diapositiva)

PEI : Diagrama Pinch, ejemplo Para entender más sobre este tema, por favor repase el módulo de María Elena González Narración : Es usado para determinar la cantidad de calor que puede ser transferida así como qué corrientes calientes deben unirse a qué corrientes frías

Integración de Masa de Proceso (PMI) Meta : integración de materiales que de otra forma sería desechados. 3 herramientas Mapeo Fuente-Sink Estrategia para Determinar las Estrategias de Mezclado, Segregación y Reciclo Óptimas Síntesis de las Redes de Intercambio de Masa (MEN) Narración : La meta de la integración de masa de proceso es recuperar y usar los materiales que de otra forma serían desechados para reducir las consecuencias económicas y ambientales. Se pueden usar tres herramientas para desarrollar la integración de masa de proceso, las cuales serán discutidas en este capítulo. Mapeo fuente-sink: es el método más visual e intuitivo para desarrollar en un proceso simple. MEN: es la integración de masa análoga a la síntesis HEN.

PMI : Mapeo Fuente-Sink Identificar las fuentes (corrientes de agua de desecho que contienen el material) y sinks (procesos que requieren el material) de material para los cuales se desea la integración Identificar los flujos de ambas fuentes y sinks Mantener en mente que los rangos de flujos pueden ser usados para los sinks Evaluar la viabilidad del uso de corrientes “contaminadas” en los sinks Determinar la concentración de los contaminantes que han sido identificados como problemáticos para los sinks Narración : Esta herramienta es usada para determinar si es viable o no el uso de corrientes de desecho como alimentación. Es una de las herramientas más simples y visuales usadas para identificar las corrientes que podrían usarse para la integración de masa. Sin embargo, puede resultar difícil de usar si el proceso se hace más complicado y las corrientes están muy integradas. Esta diapositiva presenta todos los parámetros, la siguiente diapositiva demuestra y explica el diagrama fuente-sink.

PMI : Diagrama Mapeo Fuente-Destino Para crear un diagrama de ,apeo fuente-destino es necesario: Identificar las fuentes y sinks del material para el que se desea la integración. Conocer los flujos de las fuentes y los sinks (rango de velocidades de flujo). Identificar los contaminantes presentes en las corrientes fuentes que representen un problema para los sinks. Conocer la tolerancia de cada sink para el contaminante. Conocer la concentración de los contaminantes identificados como problemáticos para los sinks.

PMI : Ejemplo del Mapeo Fuente - Sink Consideremos la siguiente tabla: Fuentes Sinks Flujo, kg/s Concentración de X, ppm Nombre max min A 3.0 7 1 4.8 4.0 5 B 5.0 15 2 2.5 2.1 C 1.0 4

PMI : Ejemplo Mapeo Fuente - Sink La tabla especifica los flujo de agua para fuentes y sinks (rangos y velocidades de flujo), la concentración del contaminante X en las fuentes y los límites de estos contaminantes en los sinks. Para elaborar el diagrama fuente-sink, es necesario graficar los flujos de las fuentes y sinks en el eje y y la concentración del contaminante en el eje x. La siguiente diapositiva muestra el diagrama resultante. Es un diagrama en dos dimensiones porque sólo se considera que a un contaminante peligroso.

PMI : Ejemplo del Mapeo Fuente - Sink 1 2 C A B 4 6 8 10 12 14 16 3 5

PMI : Ejemplo del Mapeo Fuente - Sink En este caso, las fuentes A, B y C aparecen como puntos porque el flujo y la concentración de contaminantes son valores puntuales, y los sinks 1 y 2 están representados como áreas sombreadas porque tanto el flujo y la concentración aceptable del contaminante X son valores de un rango. Como se observó, la única oportunidad de re-uso directa sería usar la corriente C ara satisfacer parcialmente la demanda de agua de la corriente 1 porque su concentración cae dentro de los rangos permitidos para la corriente 1.

PMI : Ejemplo Mapeo Fuente - Sink Ya que las corrientes “fuentes” cuya concentración de contaminantes es muy alta paraalimentar cualquier sink, ésta puede ser combinada cn fuentes de baja concentración para bajar su concentración; podemos combinar diferentes corrientes para tratar de satisfacer la restricción de contaminación de la corriente 1. El flujo de las corrientes combinadas es la suma de los flujos de las corrientes individuales.

PMI : Ejemplo del Mapeo Fuente - Sink La concentración del compuesto X en las corrientes combinadas es calculada por: Si no es posible obtener la composición deseada para el sink por medio de la mezcla de diferentes corrientes “fuente”, entonces se debe considerar una corriente limpia (sin contaminantes) para el mezclado. Se debe de tener en mente que todas las corrientes consideradas para el proceso de integración de masa deben ser económicamente viables.

Estrategias de Optimización la Segregación, Mezclado y Reciclo de Corrientes Esta técnica es usada cuando el proceso se vuelve más complicado y usa una combinación de técnicas de optimización matemática y paquetes de simulación de proceso. Estas herramientas identifican las oportunidades de reciclo, segregación y mezclado de corrientes Narración: Se puede encontrar un ejemplo detallado de esta estrategia en el libro Green Engineering, David Allen – Davud Shonnard, pp: 327.

Síntesis de Redes de Intercambio de Masa Meta : la eficiencia másica y no logra la integración de masa a través de la re-dirección de las corrientes de proceso, pero a través de los intercambios directos de corrientes. Herramientas : Diagrama de intervalos de composición Líneas de carga Balance de masa y restricciones en el equilibrio. La masa total transferida por la corriente rica (la corriente de la que se remueve el material) debe ser igual a la masa recibida por la corriente pobre (la corriente que recibe le material) La transferencia de masa es posible sólo si existe una fuerza de empuje positiva para todas las uniones de corrientes pobres/ricas Narración : Este es uno de los análisis de diagramas de flujo más rigurosos para la integración de masa y es análogo a la síntesis de Redes de Intercambio de Calor (HEN). Esta técnica involucra intercambio directo de masa entre corrientes y es usada para generar sistemáticamente una red de intercambiadores de masa cuyo propósito es transferir preferentemente compuestos que son contaminantes en las corrientes en las cuales se encuentran. Puede usarse para cualquier operación de transferencia de masa a contracorriente o de contacto directo. Este tema puede comprenderse mejor estudiando el módulo: “Retos Ambientales: Generalidades de que Enfrenta la Industria”.