FLUJOGRAMA DE PROCESOS. SELECCIÓN DE UN PROCESO AGROINDUSTRIAL. PROCESOS INTEGRADOS. EXPERIMENTACIÓN EN PLANTA PILOTO. ING. WILLIAMS CASTILLO MARTINEZ
INTRODUCCIÓN Ing. W. Castillo PRODUCTOS MANUFACTURADOS POR LA INDUSTRIA SON IMPORTANTES PARA LA SOCIEDAD MODERNA LOS PROCESOS NACEN DE LA IMAGINACIÓN DE INVESTIGADORES E INGENIEROS. EL DISEÑADOR=> IDEA CON VALOR=> PROCESO INDUSTRIAL COMPETITIVO INNOVACIÓN Y EFICIENCIA=>MOTIVACIÓN USO RACIONAL DE RECURSOS
INTRODUCCIÓN Ing. W. Castillo MAS RETOS Y MAYOR COMPLEJIDAD INNOVACIÓN Y CREATIVIDAD USO DE MÉTODOS SISTEMÁTICOS DE DISEÑO FACTIBILIDAD Y GENERACIÓN DE ALTERNATI- VAS REFINACIÓN Y OPTIMIZACIÓN ANTES DE DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
PROYECTO DE DISEÑO Ing. W. Castillo
DESARROLLO SUSTENTABLE EL MEDIO AMBIENTE SE ENCUENTRA BAJO UNA AMENAZA TRIPLE: AGOTAMIENTO DE RECURSOS EL AUMENTO DE LA CONTAMINACIÓN (AIRE, AGUA O SUELO) REDUCCIÓN DE LA CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DEL AMBIENTE
DESARROLLO SUSTENTABLE Ing. W. Castillo INVESTIGACIÓN, DESARROLLO Y DISEÑO DE PROCESOS MINIMIZACIÓN Y RECICLO DE RESIDUOS IDENTIFICACIÓN DE USO INEFICIENTES DE MATERIAS PRIMAS Y ENERGÍA
COMPONENTE AMBIENTAL Ing. W. Castillo Calidad de vida y derechos humanos DESARROLLO SOSTENIBLE Materias primas para la producción industrial y sumidero de residuos y desechos industriales COMPONENTE SOCIO-CULTURAL COMPONENTE ECONÓMICO
QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL?
QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL? Ing. W. Castillo 1. Conjunto de etapas requeridas para que las materias primas e insumos se transformen en productos, subproductos y residuos. 2. Las etapas de un proceso industrial son actividades unitarias, donde se dan cambios físicos, trasformaciones químicas o ambos, de acuerdo a determinadas condiciones de operación: presión, temperatura y otras.
QUÉ ES UN PROCESO INDUSTRIAL? Ing. W. Castillo 1. Existe un rendimiento, una conversión y una selectividad, dependiendo de la actividad unitaria. 2. Cada actividad unitaria requiere un equipo principal y equipos complementarios. 3. El proceso industrial es conceptual y se operativiza en una instalación industrial (planta).
FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN PROCESO SOSTENIBLE (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE)
ANTECEDENTES AÑO ACONTECIMIENTO 1980 Se introduce el concepto de Desarrollo Integral (Mario Bunge) 1987 Se publica el Informe Nuestro Futuro Común (Comisión Bruntland) 1990 Se publica el Acta Pollution Prevention PP (Estados Unidos) 1991 1992 1993 Se establece la base conceptual de la Green Chemistry (Química Verde) Se realiza la Cumbre de Río de Janeiro (Agenda 21 y Centros de Producción más Limpia) Anastas y Warner dan a conocer los 12 Principios de la Green Chemistry. 1997 Benyus plantea la necesidad de considerar el Biomimetismo 2001 2002 Se realiza el CHEMRAWN XIV - World Congress on Green Chemistry (IUPAC) Mc Donough y Braungard introducen el diseño de la cuna a la cuna
FUNDAMENTOS Ing. W. Castillo PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA VERDE INGENIERÍA VERDE PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA BIOMIMETISMO ECOLOGÍA INDUSTRIAL
PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA PARA EL DISEÑO DE PROCESOS Y PLANTAS INDUSTRIALES Selección de etapas para transformar las materias primas e insumos en productos y subproductos, mediante el consumo racional de energía. Selección de equipos para favorecer la transferencia de masa y energía. Diseño de equipos para efectuar reacciones químicas con elevados rendimientos. Minimización de costos asociados a la producción, sin descuidar los costos ambientales (control de contaminantes, tratamiento de residuos y manejo de desechos).
LA QUÍMICA VERDE Y LA SÍNTESIS IDEAL Ing. W. Castillo Utiliza materiales fácilmente disponibles Reacción simple Un sólo paso Ambientalmente saludable SÍNTESIS IDEAL Cero residuos Operación segura Minimiza la cantidad de solventes Rendimiento del 100%
PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE N PRINCIPIO 1 Prevenir la generación de residuos 2 Economía de los átomos 3 Síntesis químicas menos peligrosas (tóxicas) 4 Diseño de productos químicos seguros 5 Empleo de disolventes seguros 6 Disminución del consumo de energía 7 Empleo de materias primas provenientes de recursos renovables 8 Reducción de productos derivados 9 Uso de procesos catalíticos homogéneos, heterogéneos y microheterogéneos 10 Diseño para la degradación 11 Análisis de contaminantes en tiempo real 12 Minimización de riesgos de accidentes químicos
LOS NUEVE PRINCIPIOS DE LA INGENIERÍA VERDE N PRINCIPIO 1 2 Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación de impacto ambiental, integradas a la ingeniería de proceso y producto Conservar y mejorar los ecosistemas naturales a la vez que se protege la salud humana y el bienestar de la población. 3 Aplicar el concepto del ciclo de vida. 4 Asegurar, en la medida de lo posible, que la materia prima (y la energía), que entra al sistema sea segura y no tóxica. 5 Minimizar el uso de los recursos naturales no renovables. 6 Prevenir la generación de residuos. 7 8 9 Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería, teniendo en cuenta la situación geográfica, los aspectos sociales y culturales de las comunidades situadas en el entorno. Buscar soluciones de ingeniería innovadoras, con la finalidad de alcanzar la sostenibilidad. Involucrar a la comunidad en el desarrollo de soluciones a problemas ambientales.
BIOMIMETISMO (JANINE BENYUS, 1997) El biomimetismo se inspira en la naturaleza para poder tomar ideas y resolver problemas. En la hoja de una planta, minúsculos reactores realizan la función fotosintética y la falla de uno o varios de estos reactores, no induce en ningún caso a la falla global del proceso. Por ello, se está buscando la intensificación de los procesos utilizando microrreactores.
BENEFICIOS Ing. W. Castillo DISEÑO INTEGRADO DE LA CUNA A LA CUNA (MC DONOUGH Y BRAUNGARD, 2002) Reconcepción de los sistemas y de sus problemas. La reconcepción es más beneficiosa que la reingeniería y esta a su vez de la simple optimización Reconcepción del problema Reingeniería del sistema Optimización del sistema actual
ECOLOGÍA INDUSTRIAL En la naturaleza los residuos no existen como tales, ya que los desechos de unos individuos son los alimentos (y fuente de energía) de otros (cadenas tróficas). Los procesos industriales deben encadenarse productivamente. Se deben utilizar energías renovables, siempre que sea posible.
ENCADENAMIENTO PRODUCTIVO PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES (PIE)
PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES Un parque industrial ecoeficiente está constituido por un grupo de plantas industriales localizadas en una misma área geográfica. Estas (empresas) buscan mejorar sus desempeño económico y ambiental.
PARQUES INDUSTRIALES ECOEFICIENTES El trabajo coordinado les permite obtener un beneficio colectivo mayor, que trabajando individualmente. Existen dos tipos: PIE que agrupa a empresas que realizan diferentes actividades productivas y PIE en que las empresas realizan la misma actividad.
PROCESOS INDUSTRIALES SOSTENIBLES CASOS
PROCESO INDUSTRIAL A PARTIR DE RECURSOS RENOVABLES PRODUCCIÓN DE PULPA Y PAPEL A PARTIR DE RECURSOS FORESTALES
DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE BOSQUE NATURAL TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE R4 Especies maderables R1 R2 R3 AGUA LAVADO R5 AGUAS RESIDUALES COMPUESTOS DE CLORO BLANQUEO R6 EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO ENERGÍA SECADO R7 ENERGÍA PRODUCCIÓN SUCIA PROCESO NO SOSTENIBLE (O INSOSTENIBLE) PULPA BLANQUEADA
PROCESO SOSTENIBLE PARA LA OBTENCIÓN DE PULPA BLANQUEADA COMPUESTOS AZUFRE BOSQUE PLANTADO TALA DESCORTEZADO ASTILLADO COCCION EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE AZUFRE R4 a R Especies maderables R1 R2 R3 a R a R a R AGUA LAVADO R5 AGUAS RESIDUALES TOTALMENTE LIBRE DE CLORO (TLC) BLANQUEO R6 EMISIONES Y EFLUENTES DE COMPUESTOS DE CLORO ENERGÍA SECADO R7 ENERGÍA a R PRODUCCIÓN LIMPIA PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE PULPA BLANQUEADA
Planta Botnia, Fray Bentos. Uruguay
ELABORACIÓN DE PAPEL AGUA ADITIVOS AGUA AGUAS BLANCAS PULPA BLANQUEADA MEZCLADO REFINACIÓN REGULACIÓN DE CONSISTENCIA LAMINACIÓN ENERGÍA SECADO energía AGENTE ACABADO PAPEL
QUIÉNES HACEN POSIBLE QUE LA OPERACIÓN DE UNA PLANTA INDUSTRIAL SEA SOSTENIBLE?
PROVEEDORES Ing. W. Castillo MATERIAS PRIMAS E INSUMOS SERVICIOS DE DISEÑO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS MAQUINARIAS Y EQUIPOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y CONTROL PLANTA INDUSTRIAL (PROCESO INDUSTRIAL SOSTENIBLE) SERVICIOS DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS SERVICIOS DE SEGURIDAD Y PREVENCIÓN DE ACCIDENTES SERVICIOS DE SISTEMAS DE GESTIÓN SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES, AGUAS Y SUELOS
DISEÑO DE PROCESOS Ing. W. Castillo TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE PROCESOS INGENIERÍA DE PROCESOS La globalización y las cada vez mas estrictas restricciones ambientales, traerán cambios mayores en las herramientas y métodos de la ingeniería de procesos. Debido a la larga vida de algunos equipos ya instalados los cambios pueden tardar, pero llegaran.
DISEÑO DE PROCESOS Ing. W. Castillo TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE PROCESOS INGENIERÍA DE PROCESOS MATERIAS PRIMAS EFICIENTES REDUCCIÓN EN COSTOS DE CAPITAL PROCESOS FLEXIBLES REDUCCIÓN INVENTARIO AHORRO DE ENERGÍA INGENIERÍA DE PROCESO DESEMPEÑO AMBIENTAL CALIDAD Y CONTROL SEGURIDAD DE L PROCESO
DISEÑO DE PROCESOS Ing. W. Castillo TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE PROCESOS INGENIERÍA DE PROCESOS El nuevo paradigma de la ingeniería de procesos está en la integración del diseño de procesos con la investigación y desarrollo. Pruebas de laboratorio iniciales podrían originar diagramas de flujo alternos y las simulaciones orientar en las condiciones de operación óptimas. El uso de datos de planta pueden servir para la calibración de los modelos termodinámicos.
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN DE PROCESOS Integración de Procesos surge para darle un uso eficiente a la energía. Los ahorros significantes de energía se logran analizando el problema de todo el proceso. El diseño de procesos tradicional consiste en una jerarquía de fases que se pueden representar en el diagrama cebolla.
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN DE PROCESOS Las dos capas internas, Reactor y Separación, definen el entorno de balance de material. Mas aún, ellos definen la estructura básica del diagrama de flujo, que es el objeto de una actividad de diseño llamada Síntesis de Proceso. Las capas mas externas, Recuperación de Calor y Servicios Industriales tienen que ver con el entorno de balance de calor. Hoy en día se consideran la Síntesis de Procesos y la Integración de procesos como actividades complementarias=>diseño INTEGRADO DE PROCESOS
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO SÍNTESIS DE PROCESO E INTEGRACIÓN DE PROCESOS Hoy en día se consideran la Síntesis de Procesos y la Integración de procesos como actividades complementarias=>diseño INTEGRADO DE PROCESOS Enfoque Diseño Integrado de procesos
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS A continuación se presentan las tendencias en investigación con aplicaciones en el diseño de procesos. Uso eficiente de materias primas 1. Sistemas de reactores novedosos Se están desarrollando nuevas tecnologías para los sistemas de reacciones químicas, mas allá de los clásicos CSTR y PFR. 2. Análisis de sistemas con reciclo Debido a la estrecha integración en materia y energía, pueden ocurrir grandes interacciones entre las unidades. Tomando el control de los problemas que surgen con los reciclos se pueden lograr mejores diseños de plantas complejas. 3. Separación reactiva Colocando la reacción y la separación en la misma unidad puede conducir a ahorros en costos de capital y operación. La destilación reactiva es uno de los ejemplos.
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS Uso eficiente de materias primas 5. Separación de mezclas no ideales La síntesis de secuencias de separación de mezclas no ideales se maneja hoy en dia por medio de los mapas de curvas de residuos 6. Diseño de redes de intercambio de masa De forma similar a la integración energética, se están desarrollando técnicas para la optimización de operaciones basada en el intercambio de masa. 7. Manejo del hidrógeno El hidrógeno es hoy un producto de gran importancia debido a su uso en gran escala en refinación y el futuro de las celdas combustibles. El método pinch hidrógeno va en esa línea.
Eficiencia energética 1. Columnas complejas Ing. W. Castillo DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS Las columnas complejas pueden reducir drásticamente los costos de separación desempeñando varias tareas a la vez. 2. Sistemas de destilación térmicamente acoplados Las columnas de destilación acopladas pueden ofrecer ahorros de energía sustanciales. 3. Cogeneración Consiste en la producción simultánea de calor y energía. Este método es particularmente atractivo en el caso de procesos que envuelven reacciones exotérmicas. 4. Diseño de sistemas de baja temperatura La refrigeración es una operación costosa. Se pueden lograr ahorros significativos considerando sistemas multietapas y en cascada, asi como también fluidos mixtos refrigerantes. 5. Diseño automático de redes de intercambiadores de calor Puede aumentar dramáticamente la productividad del diseñador, liberando mas tiempo para las tareas conceptuales.
Reducción de emisiones 1. Diseño del sistema de agua Ing. W. Castillo DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS Se han desarrollado métodos water pinch para racionalizar el reciclo de agua de proceso y optimizar la cargaa la planta de aguas residuales. 2. Minimización de emisiones de gases de escape La minimización de la emisión de gases como CO2, SO2, y otros gases ácidos es un tópico clave en el diseño sustentable de procesos. Debe ser manejado integrando los sistemas de servivios industriales, la recuperación de calor y la cogeneración, asi como también con modificaciones de proceso. 3. Caracterización ecológica de procesos Una aproximación sistemática basada en diagramas de flujo estado estacionario y dinámico puede flujo, dinámico, aplicarse en vista de ecobalances de impurezas y materiales peligrosos.
DISEÑO DE PROCESOS INTEGRADO TENDENCIAS EN EL DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS Control y Operatividad 1. Diseño integrado y control La relación entre diseño y controlabilidad es un tópico moderno en la integración de procesos. 2. Control global de la planta Es una actividad de diseño que se encarga de establecer la mejor estrategia para controlar toda la planta y su relación con el diseño y el control de las unidades.
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL LECHE (QUESO) (EJERCICIO PROPUESTO)
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL LIMON (CITRICOS) (EJERCICIO PROPUESTO)
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL PESCADO (EJERCICIO PROPUESTO)
APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL CAÑA DE AZUCAR (EJERCICIO PROPUESTO)