“contaminaciÓn del aire”
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““CONTAMINACIÓN DEL AIRE”CONTAMINACIÓN DEL AIRE”
NC STATEUNIVERSITY
Integración de Procesos para Control Integración de Procesos para Control Ambiental en Ingeniería QuímicaAmbiental en Ingeniería Química
I. Q. Francisco Gómez RiveraI. Q. Francisco Gómez Rivera
Dr. Pedro Medellín MilánDr. Pedro Medellín MilánUniversidad Autónoma de San Luis PotosíUniversidad Autónoma de San Luis Potosí
Dr. John Heitmann Jr.Dr. John Heitmann Jr.North Carolina State UniversityNorth Carolina State University
Enero-Mayo 2005Enero-Mayo 2005
U.A.S.L.P.U.A.S.L.P.
Universidad Autónoma de San Luis PotosíUniversidad Autónoma de San Luis Potosí
CONTAMINACIÓNCONTAMINACIÓN
¿POR QUÉ CONTAMINACIÓN DEL AIRE?¿POR QUÉ CONTAMINACIÓN DEL AIRE?
CO2: Aumenta 5% por año
1 CFC 10,000 O3 HCl
1 KWh Bolier Industrial a base de carbón
1 Kg Partículas
2 Kg Dióxido de Azufre
1 Kg Óxidos de Nitrógeno
RECURSOS NATURALES
PLANTAS INDUSTRIALES
TRANSPORTACIÓN
Richard P. TurcoEARTH UNDER SIEGE Pg: 111
David T. Allen; David R. Shonnard GREEN ENGINEERING. Environmentally Conscious Design of Chemical Processes Pg: 11-12
destruye
precipita
6.45 MILMILLONES 9.22 MIL MILLONES
2005 2050
U.S. Census Bureau, International Data BaseData updated 4-26-2005http://www.census.gov/ipc/www/worldpop.html
¿PROBLEMA GLOBAL?¿PROBLEMA GLOBAL? Contaminantes del aire no son estacionarios
Algunos de ellos pueden durar varios años en la atmósfera
No fronteras, cruzan países
¿QUIÉN ESTÁ INVOLUCRADO?¿QUIÉN ESTÁ INVOLUCRADO?
CIENTÍFICOS
SOCIEDAD
GOBIERNOS
INDUSTRIA
CONTAMINANTES COMUNESCONTAMINANTES COMUNES Óxidos de azufre
Óxido de nitrógeno
Monóxido de carbono
Compuestos clorados y fluorados
Hidrocarburos
Compuestos orgánicos
FUENTES PRINCIPALES DE FUENTES PRINCIPALES DE CONTAMINACIÓN DEL AIRECONTAMINACIÓN DEL AIRE
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
PROCESOS QUÍMICOS
TRANSPORTACIÓN
Partículas sólidas
SITUACIÓN DE LA SITUACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍAPRODUCCIÓN DE ENERGÍA
Óxidos de azufre
Óxidos de nitrógeno
Dióxido de carbono
Mercurio
Producción de combustibles fósiles
Generación de electricidad basada en combustibles fósiles
Generación de electricidad basada en energía geotérmica
EMISIONESEMISIONES
¿DE DÓNDE PROVIENEN?¿DE DÓNDE PROVIENEN?
Estudio Temático 3: La Electricidad en América del NorteJohn Paul Moscarella y Edward Hoyt (EIC). Ralph Cavanagh (Consejo para la Defensa de losRecursos Naturales). Dermot Foley (Asociación para el Avance de la Energía Sustentable). Rogelio Ramírez (O, de Ecanal, S.A. de C.V)http://www.cec.org/programs_projects/law_policy/index.cfm?varlan=espanol
PORCENTAJE DE LOS CONTAMINANTES EMITIDOS PORCENTAJE DE LOS CONTAMINANTES EMITIDOS POR LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA (1995)POR LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA (1995)
NONOxx
México: 15%
Estados Unidos: 33% = 6.4 millones tons
Canadá: 10% = 186,000 tons
SOSO22México: 48%
Estados Unidos: 70% = 10,519 tons
Canadá: 22% = 524,000 tons
COCO22
México: 25% = 73 millones tons
Estados Unidos: 33% = 17 mil millones tons
Canadá: 16.6% = 103 millones tons
América del Norte = 33%
Comisión para la Cooperación Ambiental (1997), Continental Pollutant Pathways: An Agenda for Cooperation to Address
Long-Range Transport of Air Pollutionin North America (Montreal: CEC).
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN AMÉRICA DEL NORTEAMÉRICA DEL NORTE
México: 4%
Estados Unidos: 83%
Canadá: 13%
Combustibles Fósiles: 66%
Energía Hidroeléctrica: 18%
Energía Nuclear: 13%
Energía Renovable: menos del 2%
CanadáCanadá
554.2 Terawatt-hr. (1994)
CEA, EIA y CFE.
CEA. 1997
Carbón
Hidroeléctrica
Gas Natural
Nuclear
Petróleo
Renovable
59%
19% 16%
3%
2% 1%
Estados UnidosEstados Unidos
3,473.6 Terawatt-hr. (1994)
MéxicoMéxico
147.9 Terawatt-hr. (1994)
Carbón
Hidroeléctrica
Gas Natural
Nuclear
Petróleo
Renovable
53%
21%
14%
8%
3% 1%
CFE, 1995.
EIA, 1998.
Carbón
Hidroeléctrica
Gas Natural
Nuclear
Petróleo
Renovable
59%
14%
12%
9%4%
2%
CRECIMIENTOCRECIMIENTOEl consumo de electricidad está en crecimiento. Entre 1997 y 2005 el crecimiento promedio en América del Norte ha sido:
México:México: 4.5% por año
Estados Unidos:Estados Unidos: 1.7% por año
Canadá:Canadá: 1.6% por año
OTRAS TECNOLOGÍASOTRAS TECNOLOGÍAS
Con el fin de satisfacer las nuevas necesidades de energía, las tecnologías basadas en gas natural y energía hidroeléctrica son las
principales fuentes eléctricas.
México:México:
TECNOLOGÍAS EMPLEADAS PARA LA TECNOLOGÍAS EMPLEADAS PARA LA NUEVA DEMANDA (1997-2006) NUEVA DEMANDA (1997-2006)
Capacidad nueva de 10,000 MW
Carbón
Hidroeléctrica
Gas Natural
Geotérmica
Diesel
Eólica
82 %
10% 5%
2% 1% <1%
CFE, Documento de prospectiva, 1997.
Estados Estados Unidos:Unidos:
Canadá:Canadá:
Carbón
Hidroélectrica
Gas Natural
Nuclear
Petróleo
Renovable
69%
15% 11%
3%
1% 1%
Departamento de Energía de Estados Unidos, EIA.
Hydroelectric
Natural Gas
Others
75%
22% 3%
CEA, Electric Power in Canada, 1995.
NORMATIVIDADNORMATIVIDAD
México:México:
NOM-ECOL-085-1994
NOM-ECOL-086-1994
Emisiones permisibles para NOx y SOx en
fuentes puntuales y móviles
Contaminante ZMCM (ppm) ZC (ppm) RP (ppm)
SO2 1.13 2.26 4.53
NOx 0.16 0.16 0.55
PM 0.04 0.19 0.27
ZMCM: Zona Metropolitana, Cuidad de México
ZC: Zona Crítica. Monterrey, Guadalajara, Ciudad Juárez
RP: Resto del país
Fuentes de más de 110,000 MJ/hr
NOM-ECOL-085-1994
Estados Unidos:Estados Unidos:
Contaminante Estándares Primarios Tiempos Promedio Estándares Secundarios
Monóxido de Carbono 9 ppm (10 mg/m3) 8-horas Ninguno
35 ppm (40 mg/m3)
1-hora Ninguno
Plomo 1.5 µg/m3 Promedio Trimestral Mismo que E.P.
Dióxido de Nitrógeno 0.053 ppm (100 µg/m3)
Anual (Media Aritmética) Mismo que E.P.
Partículas de Materia (PM10) 50 µg/m3 Anual (Media Aritmética) Mismo que E.P.
150 ug/m3 24-horas
Partículas de Materia (PM2.5) 15.0 µg/m3 Anual (Media Aritmética) Mismo que E.P.
65 ug/m3 24-horas
Ozono 0.08 ppm 8-horas Mismo que E.P.
0.12 ppm 1-hora Mismo que E.P.
Óxidos de Azufre 0.03 ppm Anual (Media Aritmética) -------
0.14 ppm 24-horas -------
------- 3-horas 0.5 ppm (1300 ug/m3)
El “Clean Air Act” requirió a la EPA estableciera los National Ambient Air Quality Standards (Estándares Nacionales Ambientales para la Calidad del Aire) para contaminantes considerados como dañinos para la salud pública y el ambiente.
National Ambient Air Quality Standards
INTEGRACIÓN DE PROCESOSINTEGRACIÓN DE PROCESOS
““¿Qué hacer?” EVOLUCIÓN¿Qué hacer?” EVOLUCIÓN
Final de la tubería. “End-of-the-pipe”. (70´s)
Reciclar/Reusar. “Recycle/reuse” (80´s)
Diseño de la planta. “Plant design” (90´s)
Progreso = Contaminación (pasado)
Integración de Procesos ??? Producción Atómica ???
Progreso = ContaminaciónProgreso = Contaminación
Contaminación Resultado inevitable de los procesos químicos
Deshechos eran liberados sin tratamiento previo
Efectos dañinos en el ambiente y salud humana Leyes Estrictas
RECICLAR/ REUSAR. DISEÑO DE PLANTARECICLAR/ REUSAR. DISEÑO DE PLANTA
Materias primas
Eficiencia alta Producción atómica
Buenos resultados
Tratar, reducir o eliminar un
contaminante
Evitar la generación de contaminación
CONTROL vs PREVENCIÓNCONTROL vs PREVENCIÓN
FINAL DE LA TUBERIA. “END-OF-PIPE”FINAL DE LA TUBERIA. “END-OF-PIPE”
Reduce/Elimina Concentración/Toxicidad
Transfiere el contaminante de un medio a otro
≠ Buenos resultados Aplicación
Contaminación decreció
Contaminación aumentó
JERARQUÍAJERARQUÍA
REDUCCIÓNREDUCCIÓNde lade la
FUENTEFUENTE
REDUCIR/RECICLARREDUCIR/RECICLAR
TRATAMIENTO DE DESHECHOSTRATAMIENTO DE DESHECHOS
ALMACENAMIENTO SEGUROALMACENAMIENTO SEGURO
RECICLAR EN-PROCESORECICLAR EN-PROCESO
RECICLAR EN-SITIORECICLAR EN-SITIO
RECICLAR FUERA-SITIORECICLAR FUERA-SITIO
INTEGRACIÓN DE PROCESOSINTEGRACIÓN DE PROCESOS
INTEGRACIÓN de ENERGÍA
INTEGRACIÓN de MASA
Fue desarrollada en los años 70’sAproximación Termodinámica
(1980’s)
empleada para redes de intercambio de calor
Reducción de deshechos en el proceso
reducción de la demanda de servicios y reducción de los deshechos de servicios
Smith and
Petelea
LinnhoffGundersen and Naess
Delaby and Smith
Mapeo Fuente-Destino
Estrategias de Optimización
Redes de Intercambio de Masa
determina qué corrientes de deshecho pueden ser usadas como alimentación a otros procesos o equipos
cuando el procesos involucra demasiadas fuentes y destinos es necesario emplear métodos de optimización y paquetes de simulación
logra el intercambio de masa mediante el intercambio directo entre corrientes
RED DE INTERCAMBIO DE MASARED DE INTERCAMBIO DE MASA
Emplea ASM o una fase pobre
El ASM debe ser inmiscible
Equilibrio controla la transferencia de masa: yi = mjxj* + bj
yi : soluto en la fase rica
xj : soluto en la fase pobre
Gradiente de concentración = Fuerza de empuje: xj* = (yi – bj)/mj
ASM= Agente de Separación de Masa
MASS EXCHANGE NETWORK
Corriente
(Rica)
Deshecho
Entra
ASM (Corriente Pobre) Entra
ASM (Corriente Pobre) Sale
(a Descarga Final o Reciclar a
Destino del Proceso)
Corriente
(Rica)
Deshecho
Sale
RECUPERACIÓN DE BENCENO DE UNA EMISIÓN GASEOSA RECUPERACIÓN DE BENCENO DE UNA EMISIÓN GASEOSA GENERADA POR LA PRODUCCIÓN DE UN POLÍMEROGENERADA POR LA PRODUCCIÓN DE UN POLÍMERO
Copolímero(a Coagulación y
Terminado)
MonómerosTanque
Mezclador de
Monómeros
Reactor Primera Etapa
Reactor Segunda Etapa
Separación
Solvente Reciclado (Benceno)
Monómeros sin reaccionar
SolventeFresco
Deshecho Gaseoso R1
Columna Mezcladora de Aditivos
SoluciónCatalítica
(S2)
S1
Inhibidores+
Aditivos Especiales
Agente de Cadena
(Benceno como contaminante primario)
Pollution Prevention Trhough Process IntegrationMahmound M. El-HalwagiPg: 53-62
Copolímero(a Coagulación y
Terminado)
Monómeros Tanque Mezclador de Monómeros
Separación
Solvente Reciclado (Benceno)
Monómeros sin reaccionar
SolventeFresco
Deshecho Gaseoso R1
(Benceno como contaminante primario)
Reactor Primera Etapa
Reactor Segunda Etapa
Columna Mezcladora de
Aditivos
SoluciónCatalítica
(S2)
S1
Inhibidores+
Aditivos Especiales
Agente de Cadena
Tanque Mezclador de Monómeros
Reactor Primera Etapa
Reactor Segunda Etapa
Separación
Solvente Reciclado (Benceno)
Monómeros sin reaccionar
SolventeFresco
Deshecho Gaseoso
R1
Monómeros
Recuperación por RIM de Benceno
Reg
eneració
n
A la
Atmósfera
Benceno
AceiteFresco
Aceite
S3 S2 S1
Solución Catalítica
Aditivos(Agente de Cadena, Inhibidores,
y Aditivos Especiales)
Copolímero(a Coagulación y Terminado)
COMPARACIÓNCOMPARACIÓN
““Problema”Problema”
““Solución probable”Solución probable”
SOLUCIÓN PROBABLESOLUCIÓN PROBABLEDOS ASM en PROCESO: S1 y S2
Copolímero(a Coagulación y
Terminado)
Tanque Mezclador
de Monómeros
Reactor Primera Etapa
Reactor Segunda Etapa
Separación
Solvente Reciclado
Monómeros sin reaccionar
SolventeFresco
Deshecho Gaseoso
R1
Monómeros
Recuperación por RIM de Benceno
Re
ge
ne
rac
ión
A la
Atmósfera
Benceno
AceiteFresco
Aceite
S3 S2 S1
Solución Catalítica
Aditivos(Agente de Cadena, Inhibidores,
y Aditivos Especiales)
UN AMS EXTERNO: ACEITE ORGÁNICO (S3)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025
y
Ma
sa
Inte
rca
mb
iad
a, 1
0-4
Kg
mo
l
Be
nc
en
o/s 3.8
0..0001
Corriente Rica Compuesta
Corriente
DescripciónFlujoGi,
Kgmol/s
Composición de Suministro
(fracción mol)Yi
s
Composición Requerida
(fracción mol)Yi
t
R1Gas de salida del separador
0.2 0.0020 0.0001
CORRIENTE RICA COMPUESTACORRIENTE RICA COMPUESTA
Masa Intercambiada = (Gi)*(y)
MRi = Gi*(yis – yi
t)
Masa Intercambiada = (Gi)*(y) MRi = Gi*(yis – yi
t)
Separación
Corriente de Deshecho
R1
x1
x2
y
3.4
2.4
S1
S2
Corriente
Descripción
Límite máximo de
flujoLj
c Kgmol/s
Composición de suministro de
benceno(fracción mol)
Xjs
Composición requerida de benceno
(fracción mol)Yj
t
S1 Additives 0.08 0.003 0.006
S2 Catalytic solution 0.05 0.002 0.004
CORRIENTE POBRE COMPUESTACORRIENTE POBRE COMPUESTA
Reactor Primera Etapa
Reactor Segunda Etapa
Columna Mezcladora de
Aditivos
Solución Catalítica
(S2)
S1
Inhibidores+
Aditivos Especiales
Agente de Cadena
MSj = Ljc(xj
t – xjs)
MSi = Ljc(xj
t – xjs)
yi = Ljc (xj + ξj) + bj
ξj = 0.001
yi = Ljc(xj + ξj) + bj
ξj = 0.001
3.4
2.4
y
x1
x2
S2
S1
Corriente Pobre
Compuesta
CORRIENTE POBRE COMPUESTACORRIENTE POBRE COMPUESTA
x1x2
y
3.4
2.4
S1
S2
Sobreposición de las Corrientes
PUNTO PINCHPUNTO PINCH
3.4
2.4
y
x1
x2
S2
S1
Corriente Pobre
Compuesta
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025
y
Mas
s Ex
chan
ged,
10
-4 K
gmol
Be
nzen
e/s 3.8
0..0001
Corriente Rica Compuesta
+
Corriente Pobre CompuestaCorriente Pobre Compuesta
5.2
Capacidad en Exceso Capacidad en Exceso de ASM’s del Procesode ASM’s del Proceso
4.2
3.8
Pinch Point
Intercambio de Intercambio de Masa IntegradoMasa Integrado
1.8
Carga a ser Removida Carga a ser Removida por ASM’s Exrernopor ASM’s Exrerno
y
x1
x2
0.0001
Carga Removida por un ASM Externo
PUNTO PINCHPUNTO PINCH
1.4 x 10-4
(y,x1,x2) = (0.0010,0.0030,0.0010)
Capacidad en Exceso = 1.4 x 10-4 kgmol B/s
ASM del Proceso = 2.0 x 10-4 kgmol B/s
ASM Externo = 1.8 x 10-4 kgmol B/s
Intercambio de Intercambio de Masa IntegradoMasa Integrado
Carga ha ser Carga ha ser Removida por Removida por ASM ExternoASM Externo
PuntoPuntoPinchPinch
Corriente Corriente Rica Rica CompuestaCompuesta
y
x1
4.2
3.8
1.8
S1
SOLUCIÓNSOLUCIÓN
S1 = L1 (x1out – x1
s)
L1 = S1 / (x1out – x1
s)
x1out = 0.0055
Deshecho Gaseoso, R1G1=0.2 kgmol/sy1
s=0.0020x1
out=0.0055
ypinch=0.0010
y1t=0.0001
Regeneración
x3out=0.0085
Mezcla de Aditivos, S1
L1=0.08 Kgmol/sx1
s=0.0030
Solvente Regenerado Solvent, S3
L3=0.0234 Kgmol/sx3
s=0.0008
Makeup
SOLUCIÓNSOLUCIÓN
Punto PinchPunto Pinch
ASM Externo al ASM Externo al Proceso (SProceso (S33))
ASM del Proceso ASM del Proceso (S(S11))
SeparaciónSeparaciónFlashFlash
MÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓN MÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓN PERMISIBLE (PERMISIBLE (ξξJJ))
y
xj
Región Prácticamente Factible
Línea de Factibilidad
ξj
ξj
Línea de Equilibrio
x*j= (y-bj)/mj
yi = mjx*j + bj
x*j = xj + ξj
yi = mj * (xj + ξj) + b
5.7
4.7
3.8
2.3
0.0030
0.00125
Corriente Pobre Corriente Pobre CompuestaCompuestaCapacidad en Exceso Capacidad en Exceso
de ASM de Procesode ASM de Proceso
Intercambio de Intercambio de Masa IntegradoMasa Integrado
Corriente Rica Corriente Rica CompuestaCompuesta
Pinch Pinch PointPoint
Carga Removida por Carga Removida por un ASM Externoun ASM Externo
0.0001 y
x1
x2
MÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓN MÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓN PERMISIBLE (PERMISIBLE (ξξJJ))
yi = Ljc(xj + ξj) + bj
ξj = 0.002
(y,x1,x2) = (0.00125,0.0030,0.0015)
Capacidad en Excesos = 1.9 x 10-4 kgmol Ben/s
ASM del Proceso = 1.5 x 10-4 kgmol Ben/s
ASM Externos = 2.3 x 10-4 kgmol Ben/s
NORMATIVIDADNORMATIVIDAD
NORMATIVIDADNORMATIVIDAD
COMISIÓN PARA LA COOPERACIÓNCOMISIÓN PARA LA COOPERACIÓN AMBIENTALAMBIENTAL
CANADÁ:ENVIRONMENT CANADA
ESTADOS UNIDOS: ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY
MÉXICO: SECRETARIA DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
http://www.epa.com
http://www.ec.gc.ca
http://www.semarnat.gob.mx
http://www.cec.org/programs_projects/law_policy/index.cfm?varlan=english
PROTOCOLO de MONTREAL
PROTOCOLOSPROTOCOLOS
OTROSOTROS
NORMATIVIDADNORMATIVIDAD
Proteger la Capa de Ozono Estratosférico
Firmado originalmente en 1987 y substancialmente rectificado en 1990 y 1992.
Clorofluorocarbonos (CFCs), Halógenos, Tetracloruro de Carbono y Metil Cloroformo
DECLARACIÓN de
RÍO de JANEIRO
Reforzar la Adopción del Desarrollo
Sostenible
Junio 1992. Reafirmación de la Declaración de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente (Stockholm 1972)
ISO 14000Procedimientos administrativos para la
disminución continua de contaminantes. Refuerza el concepto de desarrollo sostenible
http://www.ciesin.org/TG/PI/POLICY/montpro.html
http://www.unep.org/Documents/?DocumentID=78&ArticleID=1163
http://www.iso14000.com/
RESUMENRESUMENLa contaminación del aire es un serio problema el cual será cada vez más crítico debido al crecimiento en
PoblaciónNecesidades energéticasNecesidades de transportaciónManufactura industrial y química
Esfuerzos para reducir y controlar la contaminación del aire han evolucionado con el tiempo, sin embrago requieren un mayor desarrollo para poder satisfacer las crecientes necesidades.
En el presente la integración de procesos podría considerarse como la mejor aproximación para optimizar el diseño de la planta industrial con el fin de minimizar contaminantes. “Producción atómica”, manufactura con cero deshechos y subproductos, es una meta futura aún no alcanzada en estos días.
La integración de procesos para el diseño de plantas industriales se centra en el análisis pinch de las redes de intercambio de masa (MEN en inglés) y poder así minimizar, reciclar (en el proceso) o recuperar (externo al proceso) las corrientes de deshecho.
AGRADECIMIENTOSAGRADECIMIENTOS
A mis padres
A mi familia y amigos
A mis hermanos
Doctores:John Heitmann Jr. Pedro Medellín Milán
A mis profesores
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