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“CONTAMINACIÓN DEL AIRE”

NC STATE UNIVERSITY. U.A.S.L.P. Integración de Procesos para Control Ambiental en Ingeniería Química. “CONTAMINACIÓN DEL AIRE”. I. Q. Francisco Gómez Rivera. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Dr. John Heitmann Jr. North Carolina State University. Dr. Pedro Medellín Milán

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“CONTAMINACIÓN DEL AIRE”

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  1. NC STATE UNIVERSITY U.A.S.L.P. Integración de Procesos para Control Ambiental en Ingeniería Química “CONTAMINACIÓN DEL AIRE” I. Q. Francisco Gómez Rivera Universidad Autónoma de San Luis Potosí Dr. John Heitmann Jr. North Carolina State University Dr. Pedro Medellín Milán Universidad Autónoma de San Luis Potosí Enero-Mayo 2005

  2. RECURSOS NATURALES CONTAMINACIÓN 6.45 MIL MILLONES 9.22 MIL MILLONES PLANTAS INDUSTRIALES 2050 2005 TRANSPORTACIÓN U.S. Census Bureau, International Data Base Data updated 4-26-2005 http://www.census.gov/ipc/www/worldpop.html ¿POR QUÉ CONTAMINACIÓN DEL AIRE? • CO2: Aumenta 5% por año David T. Allen; David R. Shonnard GREEN ENGINEERING. Environmentally Conscious Design of Chemical Processes Pg: 11-12 destruye precipita • 1 CFC 10,000 O3 HCl 1 Kg Partículas 2 Kg Dióxido de Azufre 1 Kg Óxidos de Nitrógeno • 1 KWh Bolier Industrial a base de carbón Richard P. Turco EARTH UNDER SIEGE Pg: 111

  3. ¿PROBLEMA GLOBAL? • Contaminantes del aire no son estacionarios • No fronteras, cruzan países • Algunos de ellos pueden durar varios años en la atmósfera ¿QUIÉN ESTÁ INVOLUCRADO? SOCIEDAD GOBIERNOS CIENTÍFICOS INDUSTRIA

  4. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA • PROCESOS QUÍMICOS • TRANSPORTACIÓN FUENTES PRINCIPALES DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE CONTAMINANTES COMUNES • Óxidos de azufre • Óxido de nitrógeno • Monóxido de carbono • Hidrocarburos • Partículas sólidas • Compuestos orgánicos • Compuestos clorados y fluorados

  5. SITUACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

  6. EMISIONES • Dióxido de carbono • Óxidos de azufre • Mercurio • Óxidos de nitrógeno ¿DE DÓNDE PROVIENEN? Producción de combustibles fósiles Generación de electricidad basada en combustibles fósiles Generación de electricidad basada en energía geotérmica Estudio Temático 3: La Electricidad en América del Norte John Paul Moscarella y Edward Hoyt (EIC). Ralph Cavanagh (Consejo para la Defensa de los Recursos 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

  7. PORCENTAJE DE LOS CONTAMINANTES EMITIDOS POR LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA (1995) • NOx México: 15% Estados Unidos: 33% = 6.4 millones tons Canadá: 10% = 186,000 tons • SO2 México: 48% Estados Unidos: 70% = 10,519 tons Canadá: 22% = 524,000 tons • CO2 México: 25% = 73 millones tons América del Norte = 33% Estados Unidos: 33% = 17 mil millones tons Canadá: 16.6% = 103 millones tons Comisión para la Cooperación Ambiental (1997), Continental Pollutant Pathways: An Agenda for Cooperation to Address Long-Range Transport of Air Pollution in North America (Montreal: CEC).

  8. 2% 1% 16% 19% 3% 59% PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN AMÉRICA DEL NORTE Combustibles Fósiles: 66% México: 4% Energía Hidroeléctrica: 18% Estados Unidos: 83% Energía Nuclear: 13% Canadá: 13% CEA, EIA y CFE. Energía Renovable: menos del 2% • Canadá 554.2 Terawatt-hr. (1994) CEA. 1997

  9. Estados Unidos 3% 1% 21% 53% 14% 8% 4% 14% 9% 59% 12% 2% 3,473.6 Terawatt-hr. (1994) • México EIA, 1998. 147.9 Terawatt-hr. (1994) CFE, 1995.

  10. CRECIMIENTO El consumo de electricidad está en crecimiento. Entre 1997 y 2005 el crecimiento promedio en América del Norte ha sido: • México: 4.5% por año • Estados Unidos: 1.7% por año • Canadá: 1.6% por año OTRAS 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.

  11. TECNOLOGÍAS EMPLEADAS PARA LA NUEVA DEMANDA (1997-2006) <1% 1% 2% 5% 10% 82 % • México: Capacidad nueva de 10,000 MW CFE, Documento de prospectiva, 1997.

  12. 1% 1% 3% 15% 11% 69% 3% 22% 75% CEA, Electric Power in Canada, 1995. • Estados Unidos: Departamento de Energía de Estados Unidos, EIA. • Canadá:

  13. NORMATIVIDAD • México: Emisiones permisibles para NOx y SOx en fuentes puntuales y móviles NOM-ECOL-085-1994 NOM-ECOL-086-1994 NOM-ECOL-085-1994 Fuentes de más de 110,000 MJ/hr ZMCM: Zona Metropolitana, Cuidad de México ZC: Zona Crítica. Monterrey, Guadalajara, Ciudad Juárez RP: Resto del país

  14. Estados Unidos: 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

  15. INTEGRACIÓN DE PROCESOS

  16. “¿Qué hacer?” EVOLUCIÓN • Progreso = Contaminación (pasado) • Final de la tubería. “End-of-the-pipe”. (70´s) • Reciclar/Reusar. “Recycle/reuse” (80´s) • Diseño de la planta. “Plant design” (90´s) • Integración de Procesos ??? Producción Atómica ??? Progreso = Contaminación Contaminación Resultado inevitable de los procesos químicos Deshechos eran liberados sin tratamiento previo Efectos dañinos en el ambiente y salud humana Leyes Estrictas

  17. FINAL DE LA TUBERIA. “END-OF-PIPE” Reduce/Elimina Concentración/Toxicidad Transfiere el contaminante de un medio a otro Aplicación Contaminación aumentó • Buenos resultados RECICLAR/ REUSAR. DISEÑO DE PLANTA Materias primas Producción atómica Eficiencia alta Buenos resultados Contaminación decreció CONTROL vs PREVENCIÓN Tratar, reducir o eliminar un contaminante Evitar la generación de contaminación

  18. JERARQUÍA REDUCCIÓN de la FUENTE RECICLAR EN-PROCESO RECICLAR EN-SITIO REDUCIR/RECICLAR RECICLAR FUERA-SITIO TRATAMIENTO DE DESHECHOS ALMACENAMIENTO SEGURO

  19. INTEGRACIÓN DE PROCESOS Fue desarrollada en los años 70’s Aproximación Termodinámica (1980’s) Linnhoff Gundersen and Naess Delaby and Smith empleada para redes de intercambio de calor INTEGRACIÓN de ENERGÍA Smith and Petelea Reducción de deshechos en el proceso reducción de la demanda de servicios y reducción de los deshechos de servicios Mapeo Fuente-Destino determina qué corrientes de deshecho pueden ser usadas como alimentación a otros procesos o equipos Estrategias de Optimización INTEGRACIÓN de MASA cuando el procesos involucra demasiadas fuentes y destinos es necesario emplear métodos de optimización y paquetes de simulación Redes de Intercambio de Masa logra el intercambio de masa mediante el intercambio directo entre corrientes

  20. ASM (Corriente Pobre) Entra MASS EXCHANGE NETWORK Corriente Corriente Deshecho Deshecho (Rica) (Rica) Sale Entra (a Descarga Final o Reciclar a Destino del Proceso) ASM (Corriente Pobre) Sale RED DE INTERCAMBIO DE MASA ASM= Agente de Separación de Masa • Emplea ASM o una fase pobre yi : soluto en la fase rica xj : soluto en la fase pobre • El ASM debe ser inmiscible • Equilibrio controla la transferencia de masa: yi = mjxj* + bj • Gradiente de concentración = Fuerza de empuje: xj* = (yi – bj)/mj

  21. RECUPERACIÓN DE BENCENO DE UNA EMISIÓN GASEOSA GENERADA POR LA PRODUCCIÓN DE UN POLÍMERO Inhibidores + Aditivos Especiales Agente de Cadena Deshecho Gaseoso R1 S1 Columna Mezcladora de Aditivos Solución Catalítica (S2) (Benceno como contaminante primario) Tanque Mezclador de Monómeros Copolímero (a Coagulación y Terminado) Monómeros Reactor Primera Etapa Reactor Segunda Etapa Separación Solvente Fresco Solvente Reciclado (Benceno) Monómeros sin reaccionar Pollution Prevention Trhough Process Integration Mahmound M. El-Halwagi Pg: 53-62

  22. Deshecho Gaseoso R1 Inhibidores + Aditivos Especiales Agente de Cadena Solución Catalítica (S2) Columna Mezcladora de Aditivos (Benceno como contaminante primario) S1 Copolímero (a Coagulación y Terminado) Tanque Mezclador de Monómeros Monómeros Reactor Primera Etapa Reactor Segunda Etapa Separación Solvente Fresco Solvente Reciclado (Benceno) Monómeros sin reaccionar Aditivos (Agente de Cadena, Inhibidores, y Aditivos Especiales) Aceite Fresco Solución Catalítica Benceno Aceite S3 S2 S1 Recuperación por RIM de Benceno A la Atmósfera Deshecho Gaseoso R1 Regeneración Copolímero (a Coagulación y Terminado) Tanque Mezclador de Monómeros Monómeros Reactor Primera Etapa Reactor Segunda Etapa Separación Solvente Fresco Solvente Reciclado (Benceno) Monómeros sin reaccionar COMPARACIÓN “Problema” “Solución probable”

  23. SOLUCIÓN PROBABLE DOS ASM en PROCESO: S1 y S2 UN AMS EXTERNO: ACEITE ORGÁNICO (S3) Aditivos (Agente de Cadena, Inhibidores, y Aditivos Especiales) Aceite Fresco Solución Catalítica Aceite Benceno S3 S2 S1 Recuperación por RIM de Benceno Deshecho Gaseoso R1 A la Atmósfera Regeneración Copolímero (a Coagulación y Terminado) Tanque Mezclador de Monómeros Reactor Primera Etapa Reactor Segunda Etapa Separación Monómeros Solvente Fresco Solvente Reciclado Monómeros sin reaccionar

  24. CORRIENTE RICA COMPUESTA Corriente de Deshecho R1 3.8 Corriente Rica Compuesta Separación 0..0001 MRi = Gi*(yis – yit) Masa Intercambiada = (Gi)*(y) MRi = Gi*(yis – yit) Masa Intercambiada = (Gi)*(y)

  25. CORRIENTE POBRE COMPUESTA Inhibidores + Aditivos Especiales Agente de Cadena S1 3.4 S2 2.4 S1 y x1 Solución Catalítica (S2) Columna Mezcladora de Aditivos x2 Reactor Primera Etapa Reactor Segunda Etapa yi = Ljc (xj + ξj) + bj yi = Ljc(xj + ξj) + bj ξj = 0.001 ξj = 0.001 MSi = Ljc(xjt – xjs) MSj = Ljc(xjt – xjs)

  26. CORRIENTE POBRE COMPUESTA 3.4 S2 2.4 S1 3.4 S2 y Corriente Pobre Compuesta 2.4 x1 S1 x2 y x1 x2 Sobreposición de las Corrientes

  27. PUNTO PINCH Corriente Rica Compuesta 3.8 3.4 S2 Corriente Pobre Compuesta 2.4 S1 y x1 0..0001 x2 +

  28. PUNTO PINCH (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 Corriente Pobre Compuesta 5.2 Capacidad en Exceso de ASM’s del Proceso 1.4 x 10-4 4.2 3.8 Pinch Point Carga Removida por un ASM Externo Intercambio de Masa Integrado 1.8 Carga a ser Removida por ASM’s Exrerno 0.0001 y x1 x2

  29. SOLUCIÓN 4.2 3.8 Punto Pinch S1 Intercambio de Masa Integrado Corriente Rica Compuesta 1.8 Carga ha ser Removida por ASM Externo y x1 S1 = L1 (x1out – x1s) L1 = S1 /(x1out – x1s) x1out = 0.0055

  30. SOLUCIÓN Solvente Regenerado Solvent, S3 L3=0.0234 Kgmol/s x3s=0.0008 y1t=0.0001 Makeup Regeneración x3out=0.0085 ypinch=0.0010 Mezcla de Aditivos, S1 L1=0.08 Kgmol/s x1s=0.0030 Deshecho Gaseoso, R1 G1=0.2 kgmol/s y1s=0.0020 x1out=0.0055 ASM Externo al Proceso (S3) Separación Flash Punto Pinch ASM del Proceso (S1)

  31. Región Prácticamente Factible y Línea de Factibilidad Línea de Equilibrio x*j= (y-bj)/mj ξj ξj xj MÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓN PERMISIBLE (ξJ) yi = mjx*j + bj x*j = xj + ξj yi = mj * (xj + ξj) + b

  32. (y,x1,x2) = (0.00125,0.0030,0.0015) 5.7 Corriente Pobre Compuesta Capacidad en Excesos = 1.9 x 10-4 kgmol Ben/s Capacidad en Exceso de ASM de Proceso 4.7 3.8 ASM del Proceso = 1.5 x 10-4 kgmol Ben/s Intercambio de Masa Integrado 2.3 ASM Externos = 2.3 x 10-4 kgmol Ben/s Corriente Rica Compuesta Carga Removida por un ASM Externo Pinch Point 0.00125 y 0.0001 x1 0.0030 x2 yi = Ljc(xj + ξj) + bj ξj = 0.002 MÍNIMA DIFERENCIA DE COMPOSICIÓN PERMISIBLE (ξJ)

  33. NORMATIVIDAD

  34. NORMATIVIDAD COMISIÓN PARA LA COOPERACIÓNAMBIENTAL http://www.cec.org/programs_projects/law_policy/index.cfm?varlan=english CANADÁ: ENVIRONMENT CANADA http://www.ec.gc.ca ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY ESTADOS UNIDOS: http://www.epa.com MÉXICO: SECRETARIA DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES http://www.semarnat.gob.mx

  35. NORMATIVIDAD PROTOCOLOS Firmado originalmente en 1987 y substancialmente rectificado en 1990 y 1992. PROTOCOLO de MONTREAL Proteger la Capa de Ozono Estratosférico Clorofluorocarbonos (CFCs), Halógenos, Tetracloruro de Carbono y Metil Cloroformo http://www.ciesin.org/TG/PI/POLICY/montpro.html 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) http://www.unep.org/Documents/?DocumentID=78&ArticleID=1163 OTROS Procedimientos administrativos para la disminución continua de contaminantes. Refuerza el concepto de desarrollo sostenible ISO 14000 http://www.iso14000.com/

  36. RESUMEN La contaminación del aire es un serio problema el cual será cada vez más crítico debido al crecimiento en Población Necesidades energéticas Necesidades de transportación Manufactura 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.

  37. AGRADECIMIENTOS A mis padres A mis hermanos A mi familia y amigos Doctores: John Heitmann Jr. Pedro Medellín Milán A mis profesores

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