“CONTAMINACIÓN DEL AIRE” - polymtl.ca · CONTAMINACIÓN ¿POR QUÉ CONTAMINACIÓN DEL AIRE? ¹CO 2: Aumenta 5% por año ¹1 CFC 10,000 O 3 HCl ¹1 KWh Bolier Industrial a base

““CONTAMINACICONTAMINACIÓÓN DEL AIREN DEL AIRE””

NC STATEUNIVERSITY

IntegraciIntegracióón de Procesos para Control n de Procesos para Control Ambiental en IngenierAmbiental en Ingenieríía Qua Quíímicamica

I. Q. Francisco GI. Q. Francisco Góómez Riveramez Rivera

Dr. Pedro Dr. Pedro MedellMedellíínn MilMiláánnUniversidad AutUniversidad Autóónoma de San Luis Potosnoma de San Luis Potosíí

Dr. John Dr. John HeitmannHeitmann Jr.Jr.North Carolina State UniversityNorth Carolina State University

EneroEnero--Mayo 2005Mayo 2005

U.A.S.L.P.U.A.S.L.P.

Universidad AutUniversidad Autóónoma de San Luis Potosnoma de San Luis Potosíí

CONTAMINACICONTAMINACIÓÓNN

¿¿POR QUPOR QUÉÉ CONTAMINACICONTAMINACIÓÓN DEL AIRE?N 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. ShonnardGREEN ENGINEERING. Environmentally Conscious Design of Chemical ProcessesPg: 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

¿¿QUIQUIÉÉN ESTN ESTÁÁ INVOLUCRADO?INVOLUCRADO?

CIENTÍFICOS

SOCIEDAD

GOBIERNOS

INDUSTRIA

CONTAMINANTES COMUNESCONTAMINANTES COMUNESÓxidos de azufre

Óxido de nitrógeno

Monóxido de carbono

Compuestos clorados y fluorados

Hidrocarburos

Compuestos orgánicos

FUENTES PRINCIPALES DE FUENTES PRINCIPALES DE CONTAMINACICONTAMINACIÓÓN DEL AIREN DEL AIRE

PRODUCCIÓN DE ENERGÍAPROCESOS QUÍMICOSTRANSPORTACIÓN

Partículas sólidas

SITUACISITUACIÓÓN DE LA N DE LA PRODUCCIPRODUCCIÓÓN DE ENERGN DE ENERGÍÍAA

Óxidos de azufre

Óxidos de nitrógeno

Dióxido de carbono

Mercurio

Producción de combustibles fósiles Generación de electricidad basada en combustibles fósilesGeneración de electricidad basada en energía geotérmica

EMISIONESEMISIONES

¿¿DE DDE DÓÓNDE PROVIENEN?NDE 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 PRODUCCIPOR LA PRODUCCIÓÓN DE ENERGN DE ENERGÍÍA (1995)A (1995)

NONOxxMéxico: 15%Estados Unidos: 33% = 6.4 millones tonsCanadá: 10% = 186,000 tons

SOSO22México: 48%Estados Unidos: 70% = 10,519 tonsCanadá: 22% = 524,000 tons

COCO22México: 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).

PRODUCCIPRODUCCIÓÓN DE ELECTRICIDAD EN N DE ELECTRICIDAD EN AMAMÉÉRICA DEL NORTERICA DEL NORTE

México: 4%Estados Unidos: 83%Canadá: 13%

Combustibles Fósiles: 66%

Energía Hidroeléctrica: 18%Energía Nuclear: 13%

Energía Renovable: menos del 2%

CanadCanadáá

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)

MMééxicoxico

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:

MMééxico:xico: 4.5% por año

Estados Unidos:Estados Unidos:1.7% por año

CanadCanadáá::1.6% por año

OTRAS TECNOLOGOTRAS TECNOLOGÍÍASAS

Con el fin de satisfacer las nuevas necesidades de energía, las tecnologías basadas en gas natural y energía hidroeléctrica son las

principales fuentes eléctricas.

MMééxico:xico:

TECNOLOGTECNOLOGÍÍAS EMPLEADAS PARA LA AS EMPLEADAS PARA LA NUEVA DEMANDA (1997NUEVA DEMANDA (1997--2006) 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:

CanadCanadáá::

CarbónHidroélectricaGas NaturalNuclearPetróleoRenovable

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

MMééxico:xico:

NOM-ECOL-085-1994

NOM-ECOL-086-1994

Emisiones permisibles para NOx y SOx en

fuentes puntuales y móviles

0.270.190.04PM

0.550.160.16NOx

4.532.261.13SO2

RP (ppm)ZC (ppm)ZMCM (ppm)Contaminante

ZMCM: Zona Metropolitana, Cuidad de MéxicoZC: Zona Crítica. Monterrey, Guadalajara, Ciudad JuárezRP: Resto del país

Fuentes de más de 110,000 MJ/hr

NOM-ECOL-085-1994

EstadosEstados UnidosUnidos::

0.5 ppm(1300 ug/m3)

3-horas-------

-------24-horas0.14 ppm

-------Anual (Media Aritmética)0.03 ppmÓxidos de Azufre

Mismo que E.P.1-hora0.12 ppm

Mismo que E.P. 8-horas0.08 ppmOzono

24-horas65 ug/m3

Mismo que E.P.Anual (Media Aritmética)15.0 µg/m3Partículas de Materia (PM2.5)

24-horas150 ug/m3

Mismo que E.P.Anual (Media Aritmética)50 µg/m3Partículas de Materia (PM10)

Mismo que E.P.Anual (Media Aritmética)0.053 ppm(100 µg/m3)

Dióxido de Nitrógeno

Mismo que E.P.Promedio Trimestral1.5 µg/m3Plomo

Ninguno1-hora35 ppm(40 mg/m3)

Ninguno 8-horas9 ppm (10 mg/m3) Monóxido de Carbono

Estándares SecundariosTiempos PromedioEstándares PrimariosContaminante

El “Clean Air Act” requirió a la EPA estableciera los National AmbientAir 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

INTEGRACIINTEGRACIÓÓN DE PROCESOSN DE PROCESOS

“¿“¿QuQuéé hacer?hacer?”” EVOLUCIEVOLUCIÓÓNN

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 = ContaminaciProgreso = ContaminacióónnContaminación Resultado inevitable de los procesos químicos

Deshechos eran liberados sin tratamiento previo

Efectos dañinos en el ambiente y salud humana Leyes Estrictas

RECICLAR/ REUSAR. DISERECICLAR/ REUSAR. DISEÑÑO DE PLANTAO DE PLANTA

Materias primas

Eficiencia alta Producción atómica

Buenos resultados

Tratar, reducir o eliminar un

contaminante

Evitar la generación de contaminación

CONTROL CONTROL vsvs PREVENCIPREVENCIÓÓNN

FINAL DE LA TUBERIA. FINAL DE LA TUBERIA. ““ENDEND--OFOF--PIPEPIPE””

Reduce/Elimina Concentración/Toxicidad

Transfiere el contaminante de un medio a otro

≠ Buenos resultados Aplicación

Contaminación decreció

Contaminación aumentó

JERARQUJERARQUÍÍAA

REDUCCIREDUCCIÓÓNNde lade la

FUENTEFUENTE

REDUCIR/RECICLARREDUCIR/RECICLAR

TRATAMIENTO DE DESHECHOSTRATAMIENTO DE DESHECHOS

ALMACENAMIENTO SEGUROALMACENAMIENTO SEGURO

RECICLAR ENRECICLAR EN--PROCESOPROCESO

RECICLAR ENRECICLAR EN--SITIOSITIO

RECICLAR FUERARECICLAR FUERA--SITIOSITIO

INTEGRACIINTEGRACIÓÓN DE PROCESOSN 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

RECUPERACIRECUPERACIÓÓN DE BENCENO DE UNA EMISIN DE BENCENO DE UNA EMISIÓÓN GASEOSA N GASEOSA GENERADA POR LA PRODUCCIGENERADA POR LA PRODUCCIÓÓN DE UN POLN DE UN POLÍÍMEROMERO

Copolímero(a Coagulación y

Terminado)

MonómerosTanque

Mezclador de

Monómeros

Reactor Primera Etapa

Reactor Segunda Etapa

Separación

Solvente Reciclado (Benceno)

Monómeros sin reaccionar

SolventeFresco

Deshecho GaseosoR1

Columna Mezcladora de Aditivos

SoluciónCatalítica

(S2)

S1

Inhibidores+

Aditivos EspecialesAgente 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 GaseosoR1

(Benceno como contaminante primario)



Columna Mezcladora de

Aditivos

SoluciónCatalítica

(S2)

S1

Inhibidores+


Cadena

Tanque Mezclador de Monómeros


Reactor Segunda Etapa Separación



SolventeFresco

Deshecho Gaseoso

R1

Monómeros

Recuperación por RIM de Benceno

Regeneración

A la

Atmósfera

Benceno

AceiteFresco

Aceite

S3 S2 S1

Solución Catalítica

Aditivos(Agente de Cadena, Inhibidores,

y Aditivos Especiales)

Copolímero(a Coagulación y Terminado)

COMPARACICOMPARACIÓÓNN““ProblemaProblema””

““SoluciSolucióón probablen probable””

SOLUCISOLUCIÓÓN PROBABLEN 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

Regeneración

A la

Atmósfera

Benceno

AceiteFresco

AceiteS3 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

Mas

a In

terc

ambi

ada,

10-4

Kgm

ol

Ben

ceno

/s 3.8

0..0001

Corriente Rica Compuesta

0.00010.00200.2Gas de salida del

separadorR1

Composición Requerida(fracción mol)

Yit

Composición de Suministro

(fracción mol)Yi

s

FlujoGi, Kgmol/s

DescripciónCorriente

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

0.0040.0020.05Catalytic solutionS2

0.0060.0030.08AdditivesS1

Composición requerida de benceno(fracción mol)

Yjt

Composición de suministro de benceno

(fracción mol)Xj

s

Límite máximo deflujo

Ljc Kgmol/s

DescripciónCorriente

CORRIENTE POBRE COMPUESTACORRIENTE POBRE COMPUESTA



Columna Mezcladora de

Aditivos


(S2)

S1

Inhibidores+


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

yx1x2

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

Kgm

ol

Benz

ene/

s

3.8

0..0001

Corriente Rica Compuesta

+

Corriente Pobre CompuestaCorriente Pobre Compuesta5.2

Capacidad en Exceso Capacidad en Exceso de de ASMASM’’ss del Procesodel Proceso

4.23.8

PinchPoint

Intercambio de Intercambio de Masa IntegradoMasa Integrado

1.8

Carga a ser Removida Carga a ser Removida por por ASMASM’’ss ExrernoExrerno

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

4.23.8

1.8

S1

SOLUCISOLUCIÓÓNN

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, S1L1=0.08 Kgmol/sx1

s=0.0030

Solvente Regenerado Solvent, S3L3=0.0234 Kgmol/sx3

s=0.0008

Makeup

SOLUCISOLUCIÓÓNN

Punto Punto PinchPinch

ASM Externo al ASM Externo al Proceso (SProceso (S33))

ASM del Proceso ASM del Proceso (S(S11))

SeparaciSeparacióónnFlashFlash

MMÍÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICINIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓÓN N PERMISIBLE (PERMISIBLE (ξξJJ))

y

xj

Región Prácticamente Factible

Línea de Factibilidad

ξj

ξj

Línea de Equilibriox*

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

PinchPinchPointPoint

Carga Removida por Carga Removida por un ASM Externoun ASM Externo

0.0001 y

x1

x2

MMÍÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICINIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓÓN N 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



COMISICOMISIÓÓN PARA LA COOPERACIN PARA LA COOPERACIÓÓNN 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