“CONTAMINACIÓN DEL AIRE”

““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

http://www.uaslp.mx/fcq/

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


Terminado)

Monómeros Tanque Mezclador de Monómeros

Separación



SolventeFresco

Deshecho Gaseoso R1

(Benceno como contaminante primario)



Columna Mezcladora de

Aditivos

SoluciónCatalítica

(S2)

S1

Inhibidores+

Aditivos Especiales

Agente de Cadena

Tanque Mezclador de Monómeros



Separación



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


Terminado)

Tanque Mezclador

de Monómeros



Separación

Solvente Reciclado


SolventeFresco

Deshecho Gaseoso

R1

Monómeros

Recuperación por RIM de Benceno

Re

ge

ne

rac

ión

A la

Atmósfera

Benceno

AceiteFresco

Aceite

S3 S2 S1


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



Columna Mezcladora de

Aditivos


(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


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


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



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


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