Resumen de Environmental conscious evaluation and process design methodology for chemical industries
Carmen María Torres Costa
Los procesos químicos proporcionan una amplia gama de productos esenciales para las economías y sociedades modernas. Sin embargo, todo proceso de producción genera desechos y emisiones al medio ambiente. El tratamiento y la gestión de estos residuos requiere unidades de proceso adicionales (con el consiguiente costo asociado) para cumplir con las regulaciones y restricciones ambientales. El costoso enfoque end-of-pipe para la gestión y tratamiento de residuos se ha vuelto menos atractivo en los últimos tiempos. El propósito de esta Tesis es desarrollar herramientas de diseño desde un punto de vista sostenible, integrando en las decisiones de diseño de procesos una visión ambiental y económica. La metodología de diseño es aplicable a una amplia gama de procesos industriales y de equipos de manera que los diseños resultantes son, en gran medida, medioambientalmente mejores.
En el presente trabajo se propone un marco de diseño ambiental para evitar (minimizar) la generación de contaminación en origen y los riesgos para la salud humana y el medio ambiente. Mediante el cálculo de índices se define el rendimiento del proceso y sus interacciones con el medio ambiente en términos de consumo de energía, emisiones, consumo de agua, toxicidad, dosis letal de compuestos, partición de compuestos en el entorno e índices de balance ambiental de materias. Estos indicadores son fundamentales en la identificación de las interacciones entre los procesos y el medio ambiente, y por tanto en la evaluación de su desempeño ambiental. Esta nueva metodología está basada en la simulación y el análisis de los impactos económicos y medioambientales en cada etapa del diseño. Tanto los parámetros de diseño de proceso, como los equipos y las condiciones de operación están optimizados para un mejor comportamiento ambiental.
El trabajo desarrollado en la investigación doctoral y recopilado en esta Tesis comprende cinco artículos para publicación en revistas internacionales (dos ya están publicados, uno en fase de revisión, uno aceptado y en proceso de publicación, y el último ha sido enviado en marzo de 2013). Los dos primeros documentos, que corresponden a los capítulos 2 y 3 de la Tesis, tratan la parte metodológica que incluye la definición de las características generales y la automatización del procedimiento. En los documentos restantes se aplica la metodología para el análisis de la sostenibilidad y la optimización de dos casos de estudio, producción de biodiesel a partir de aceite de cardo (capítulo 4) y de aceite de microalgas (capítulos 5 y 6).
En el capítulo 2 se presenta la metodología basada en la simulación del proceso y el uso de técnicas optimización. Incluye el análisis de distintas configuraciones del diagrama de flujo del proceso con arreglo a diferentes etapas en el proceso de diseño. En general, el punto de partida es la simulación de una configuración bajo unas condiciones tomadas de datos industriales (i.e., caso base), definidas para comparar y mejorar con respecto a una nueva configuración o proceso alternativo a partir de los resultados ambientales iniciales. El modelo está estrechamente ligado al procedimiento de cálculo de impactos ambientales, lo que implica la formulación de indicadores para traducir las interacciones entre la planta de proceso y el medio ambiente. Estos cálculos incluyen la recopilación de propiedades de destino ambiental para todas las sustancias que intervienen en la simulación, así como la estimación de las emisiones al aire, agua y suelo, incluyendo las emisiones fugitivas y relativas al almacenamiento. A partir de estos datos se calculan los índices ambientales. Además, el trabajo incluye un procedimiento de agregación de índices para reducir las diferentes categorías de impacto a un único valor. Este índice total se calcula a partir de la media geométrica de los índices normalizados de las distintas categorías e incluye un análisis de los factores de ponderación. Se utilizaron dos casos de estudio para probar la metodología: sendas plantas de producción de estireno y formaldehído.
El procedimiento se basa en una filosofía central: la integración de las consideraciones ambientales en cada una de las diferentes etapas de diseño del proceso, desde la etapa más incipiente hasta la más detallada, puede tener un impacto positivo en su rendimiento (el enfoque clásico, llamado end-of-pipe se refiere a aquellos estudios en los que las preocupaciones ambientales se consideran una vez que las decisiones de diseño ya han sido tomadas). Esto implica que las cuestiones ambientales y de salud humana tienen que ser consideradas simultáneamente en el diseño del proceso. En particular, en el primer caso de estudio, el uso de molibdato férrico fue identificado como la mejor opción como catalizador. Además, se logró un 8% de reducción en el impacto ambiental optimizando la temperatura de reacción. En el segundo caso, se encontró una alternativa de proceso menos costosa (7%) y menos medioambientalmente nociva (4%) mediante el análisis de cambios en la topología de la planta.
La metodología es válida para problemas de revamping y de diseño de base. El diseño medioambientalmente consciente se puede aplicar a ambos tipos de problemas. Específicamente, en [2] se aplicó la metodología a renovar el problema de una planta de agua agria separación de un complejo de refinería situada en Alemania. Por otra parte, la metodología fue programado en Matlab ® por lo que el procedimiento para la evaluación del desempeño se convierte automatizado que permite cálculos rápidos, análisis de sensibilidad y mayor facilidad de implementación de las herramientas de optimización. Además, la complejidad de la simulación estudiada nos ha permitido probar la robustez y escalabilidad de la herramienta de evaluación ambiental automatizado (AEET), junto con Matlab ® algoritmos de optimización. Mejoras significativas en el impacto ambiental (abastecimiento de agua, un 52% menos) y los costos (7,7%) se obtuvieron mediante el ajuste de un conjunto de variables operativas clave. Además, con la identificación de las oportunidades de integración de calor las necesidades de agua se redujo en un 4%, y la salud humana y la calidad del ecosistema se redujo en un 8%.
En el capítulo 4, el análisis del ciclo de vida (LCA) fue introducido en el módulo ambiental de la AEET través de la implementación de la metodología de evaluación de los daños Eco-indicador 99 (EI99). El trabajo analiza la viabilidad de la producción de biodiesel por transesterificación de aceite vegetal extraído de Cynara Cardunculus y su comparación con el uso de otros cultivos agrícolas. Por lo tanto, es un ejemplo de diseño sostenible de una nueva instalación empleando la AEET. En concreto, la AEET se modificó para incluir la perspectiva ¿de la cuna a la tumba¿ donde parte del proceso está fuera de los límites de la simulación. Por lo tanto, para las etapas anteriores a la planta de transesterificación, los flujos de energía y materia se calculan en base a datos de la literatura o extraídos de bases de datos LCA (Ecoinvent®). Según los resultados obtenidos, el biodiesel obtenido de Cynara Cardunculus puede igualar o incluso mejorar el desempeño ambiental de otros cultivos agrícolas. En este sentido, puntuaciones EI99 similares al aceite de colza fueran obtenidas para una alternativa de proceso optimizada, y un precio de equilibrio de $1000/t de biodiesel, por debajo de otros aceites vegetales, como aceite de soja, de ricino y de canola.
Durante la realización de los trabajos presentados, se derivó una conclusión importante: para obtener resultados fiables a partir de una metodología basada en la simulación, ésta debe estar acompañada de un conocimiento profundo del proceso simulado, así como de las etapas del ciclo de vida de producción que se encuentra fuera del modelo matemático. En este caso, el trabajo recopilado en los capítulos 5 y 6 se apoya en la experiencia y el conocimiento sobre el proceso de obtención de biodiesel a partir de microalgas de los colaboradores del Instituto Catalán de Investigación en Energía (IREC). En este sentido, resultados experimentales se utilizaron para validar simulaciones rigurosas y proponer escenarios realistas para el escalado del proceso. Aunque el paquete de simulación utilizado en todos los estudios fue AspenHysys®, no era adecuado para el modelado del cultivo y recolección de la biomasa de microalgas, que son las etapas clave en términos de desempeño económico y medioambiental. Por esta razón, los balances de materia y energía de estas etapas se calcularon en una hoja de cálculo interconectada con al modelo original. Gracias a su interoperabilidad, la AEET programada en Matlab® se adaptó para acoplar las dos partes del proceso En el capítulo 5, se obtuvo un prometedor precio de equilibrio de cerca de $2000/t de biodiesel basado en microalgas cuando se utiliza una primera etapa de floculación/sedimentación durante el cosechado de la biomasa, y cuando el contenido de lípidos transesterificables supera el 37%. No obstante, en el capítulo 6, el análisis medioambiental predice peores resultados en las alternativas que presentan la mencionada unidad de sedimentación, mientras que las mejores puntuaciones se obtuvieron para las alternativas que incluyen microfiltración dinámica como primera etapa de concentración de la biomasa. Por otro lado, la vía húmeda de extracción, no es recomendable debido a su limitada rentabilidad y sobre todo por los altos impactos ambientales asociados.
