NAMP
Program
for North American Mobility in Higher Education
PIECE
NAMP
Módulo 8
Introducción a la
Integración de Procesos
Tier III
Introducing
Process integration
for Environmental
Control in Engineering Curricula
Módulo
8 – Introducción
a la Integración
de Procesos
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NAMP
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Cómo usar esta presentación
Esta presentación contiene links internos a otras diapositivas y links
externos a sitios web:
Ejemplo de un link (texto subrayado en gris): link a una diapositiva en la
presentación a un sitio web
: link a la tabla de contenido del tier
: link a la última diapositiva revisada
: cuando el usuario ha pasado por toda la presentación, algunas
preguntas de opción múltiple son efectuadas al final del tier. Este icono
lleva al usuario nuevamente al enunciado de pregunta si la respuesta
elegida es errónea
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tabla de contenido
Resumen del Proyecto
Instituciones participantes
Creadores del módulo
Estructura y Propósito del Módulo
Tier III
Enunciado de propósito
El proceso Kraft de fabricación de pulpa
Hoja de cálculo del Proceso Kraft
Tratamiento de agua de desecho en el Proceso Kraft de
fabricación de pulpa
Energía en el Proceso Kraft de fabricación de Pulpa
Pregunta 1
Pregunta 2
Pregunta 3
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Resumen del Proyecto
Objetivos
Crear módulos web para ayudar a las universidades a
realizar la introducción de la Integración de Procesos a la
currícula de Ingeniería
Hacer de estos módulos ampliamente disponibles en cada
uno de los países participantes
Instituciones Participantes
Dos universidades de tres países (Canadá, México y Estados
Unidos de América)
Dos institutos de investigación en diferentes sectores
industriales: petróleo (México) y pulpa y papel (Canadá)
Cada una de las seis universidades ha patrocinado a 7
estudiantes de intercambio durante el periodo de la beca,
subvencionados en parte por cada uno de los gobiernos de
los tres países
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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NAMP integration for Environmental Control in Engineering Curricula
Process
Paprican
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PIECE
École
Polytechnique de
Montréal
Universidad
Autónoma de San
Luis Potosí
University of
Ottawa
Universidad de
Guanajuato
North Carolina
State University
Instituto
Mexicano del
Petróleo
Program
forIntroducción
North American
Mobility in Higher
Education
Módulo
8–
a la Integración
de Procesos
University of
Texas A&M
NAMP
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NAMP
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Módulo 8
Este módulo fue creado por:
Carlos Alberto Miranda Alvarez
Paul Stuart
De
Institución
Anfitriona
Profesor
Anfitrión
Martin Picon-Nuñez
Jean-Martin Brault
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Estructura del Módulo 8
¿Cuál es la estructura de este módulo?
Todos los módulos están divididos en 3 tiers, cada uno con
una meta específica:
Tier I: Antecedentes
Tier II: Aplicaciones a Caso de Estudio
Tier III: Problema de Diseño Propuesto
Se pretende completar estos tiers en ese orden particular.
Los estudiantes son evaluados en varios puntos para medir
su grado de comprensión, antes de proseguir al siguiente
nivel. Cada tier contiene un enunciado de propósito u
objetivo al inicio y un quiz al final.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Propósito del Módulo 8
¿Cuál es el propósito de este módulo?
Es el objetivo de este módulo cubrir los aspectos
básicos de los
Métodos y herramientas de
Integración de Procesos , y colocar a la
Integración de Procesos en una perspectiva más
amplia. Está identificado como un prerrequisito para
otros módulos relacionadas con el aprendizaje de
Integración de Procesos.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
8
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Tier III
Problema propuesto
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III Enunciado de Propósito
El objetivo de este tier es resolver una aplicación real de la
Integración de Procesos, en la cual el estudiante debe
interpretar los resultados obtenidos con una variedad de
herramientas de Integración de Procesos. Al final del Tier III,
el estudiante debe ser capaz de identificar lo siguiente:
Beneficios del uso de las herramientas de Integración de
Procesos
Oportunidades potenciales de ahorro en costo por el uso
de herramientas de Integración de Procesos
Reducción del impacto ambiental resultante por la
aplicación de herramientas de Integración de Procesos
Cómo puede ser usada la aplicación de herramientas de
Integración de Procesos para obtener un proceso
operable
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Enunciado del Problema
El proceso Kraft de
fabricación de pulpa
Las características básicas de un proceso Kraft de fabricación de pulpa se muestran en la
siguiente diapositiva. Las astillas de madera (conteniendo 50% de agua) son llevadas de
una tolva a una unidad de preevaporación para facilitar la subsecuente impregnación de las
astillas con químicos. Un alimentador a alta presión transfiere las astillas de la vasija de
preevaporación a un digestor. En el digestor, las astillas son "cocinadas" usando licor blanco
(una mezcla de químicos como NaOH, Na2S, Na2CO3 y agua) para solubilizar la lignina en
las mismas. En el proceso de cocción se produce metanol. Después de la digestión de la
lignina, los químicos de cocción son retirados de la pulpa. Una unidad de lavado a
contracorriente y de múltiples etapas es usada para minimizar el transporte de químicos
con la pulpa. Los químicos residuales del proceso de fabricación de pulpa son llamados
licor negro diluido (licor negro débil). El licor negro contiene sales de sodio (hidróxidos,
sulfuro, carbonato, cloruro, sulfito y sulfato), lignina disuelta, metanol y agua. Antes de que
el efluente del digestor sea alimentado a los lavadores, la pulpa cocida y el licor son
pasados a un tanque de soplado donde la pulpa es separada de licor negro diluido que es
alimentado a un sistema de recuperación por conversión a licor blanco. El primer paso en
la recuperación es la concentración del licor negro diluido por medio de evaporadores de
múltiple efecto. La solución concentrada es rociada en un horno de recuperación. El
proceso de evaporación resulta en la generación de una gran cantidad de condensado
combinado clasificado como una corriente de agua de desecho y de desecho gaseoso cuyo
contaminante primario es H2S. El fundido del horno es disuelto en agua para formar licor
verde que es reaccionado con cal (CaO) para producir licor blanco y "lodo" de carbonato de
calcio. El licor blanco recuperado es mezclado con materiales frescos y reciclado al digestor.
El carbonato de calcio en lodo es descompuesto térmicamente en un horno para producir
cal que es usada en la reacción de causterización. Hay varios desechos gaseosos emitidos
por el proceso, algunos de los cuales pueden ser usados para la generación y cogeneración
de vapor.
Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Enunciado del Problema
Desecho Gaseoso
MÚLTIPLE EFECTO
Licor negro
concentrado
(licor negro
fuerte)
EVAPORADORES DE
Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
Astillas
de
madera
Vapor
Licor
negro
diluido
Licor blanco
recuperado
DIGESTOR
Gas
fuera
Gases
Pulpa para
procesamiento
posterior
Vapor
TANQUE DE
SOPLADO
Condensado
Cal
Gas de
chimenea
HORNO DE
LAVADORES
CAUSTERIZACIÓN
RECUPERACIÓN
Aire
Fundido
Gas
fuera
Agua
HORNO DE CAL
TANQUE DE
DISOLUCIÓN
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
Carbonato
Y FILTRACIÓN
de calcio
Licor
verde
SEDIMENTACIÓN
Gases
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Tier III – Enunciado del Problema
Tratamiento de agua de desecho en el proceso de Kraft de
fabricación de pulpa
Las plantas de pulpa y papel emplean altos niveles de agua fresca que llevan a la
generación de una cantidad significativa de efluente acuoso. Por tanto, la optimización de el uso de
agua y de las descargas de agua de desecho representa un reto importante para la industria. Debido
al contacto directo del agua con varias especies, las corrientes acuosas están cargadas con varios
componentes incluyendo metano, elementos de no-proceso y especies orgánicas e inorgánicas. El
metanol está clasificado como un contaminante de alta prioridad por la industria de fabricación de
pulpa . En adición, éste puede proveer una fuente de ingresos si es recuperado correctamente.
El metanol puede encontrarse en la mayoría de las corrientes de agua de desecho del
proceso Kraft de fabricación de pulpa, particularmente en el condensado que sale de los
evaporadores de múltiple efecto y los condensadores usados para condensar el vapor de la unidad de
preevaporación antes de que las astillas de madera sean llevadas al digestor. Todas las corrientes de
desecho son tratadas por biotratamiento y luego son descargadas a un río. Cualquier corriente
descargada al río debe tener una composición de metanol no excedente a 15 ppmw. La siguiente
información está disponible para la instalación de biotratamiento:
•
•
•
Composición aceptable de metanol entrando a biotratamiento < 1.000 ppmw
Composición promedio de metanol a la salida = 15 ppmw
Costo de operación del biotratamiento = 0.11*M + 0.0013*G donde M es la carga
másica (kg/h) de metanol y G es el flujo de agua de desecho (kg/h)
Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Enunciado del Problema
Tratamiento de agua de desecho en el proceso de Kraft de
fabricación de pulpa (2)
La cantidad de metanol en el agua de desecho puede ser reducida usando stripping con aire y
recuperado de las corrientes acuosas para proveer ventas de metanol mayores que los costos de
recuperación. El flujo de aire es determinado como sigue:
L = 0.5*ƒ*G
Donde L y G son los flujos másicos (kg/h) de aire y agua de desecho, respectivamente, y ƒ es la
remoción fraccional másica de metanol del agua por stripping. El costo de operación del stripping
con aire es dado por la siguiente relación:
Costo de Operación (US$/h) = 0.003*L (kg aire/h)
Este costo incluye la compresión de aire y la condensación del metanol.
El operador de la planta de tratamiento de agua de desecho también tiene problemas
prediciendo cuando el proceso de tratamiento pasará de un régimen operacional a otro o cuando
el proceso producirá agua con concentraciones superiores a los límites permitidos de metanol y
otros contaminantes. Él dispone de los últimos tres años de datos de operación de las
instalaciones de tratamiento pero no sabe como interpretar tal cantidad de información.
Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Enunciado del Problema
Tratamiento de agua de desecho en el proceso de Kraft de
fabricación de pulpa (3)
Junto con el metanol como uno de los principales contaminantes encontrados en los efluentes acuosos de
las plantas con proceso Kraft, se presentan otros compuestos orgánicos e inorgánicos. Estos incluyen
cloroformo, formaldehído, fenol, etc. dependiendo de la planta y el proceso usado. El fenol es importante
primariamente por su toxicidad, deterioro del oxígeno y turbidez. Además, el fenol puede causar sabor y
olor desagradables en los peces y el agua potable.
Muchas técnicas pueden ser usadas para separar fenol. Tres tecnologías externas son
consideradas aquí para la remoción de fenol. Estos procesos incluyen adsorción usando carbón
activado, intercambio iónico usando resina polimérica y stripping usando aire.
Los costos operacionales para cada método comprenden el costo de material fresco y el cossto de
regeneración. Para el carbón activado, el vapor es usado para regenerar el agente separador de
masa cuando se usa sosa cáustica (NaOH) para la regeneración de la resina de intercambio iónico.
En el caso del stripping con aire, la corriente gaseosa que abandona la unidad de intercambio de
masa no puede ser descargada a la atmósfera a causa de las regulaciones de calidad del aire. Por lo
tanto, el aire de salida de la unidad de separación es alimentado a una unidad de recuperación de
fenol en la cual se usa un refrigerante para condensar el fenol. El costo operacional relacionada a
cada tecnología es entonces 0.737 US$, 1.150 US$ y 2.069 US$ por kg de fenol removido por
carbón activado, resina de intercambio iónico y stripping con aire respectivamente.
Referencia: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Enunciado del Problema
Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa
El proceso Kraft de fabricación de pulpa es un proceso muy intensivo energéticamente: los usos finales
de energía comunes a todas las plantas de pulpa y papel incluyen el bombeo, manejo de aire e
iluminación. Además, las necesidades de vapor y el gran número de corrientes de proceso hacen de
este sector industrial un buen candidato para la integración de calor mejorada. La concentración de
licor negro es, usualmente, la mayor corriente individual usada en la operación de una planta de
proceso Kraft. Los evaporadores instalados en los 60's y 70's fueron construidos con cuatro o cinco
efectos, mientras que la mayoría de las plantas Kraft hoy en día usan evaporadores con cinco o seis
efectos, con un concentrador para incrementar posteriormente el contenido de sólidos. La activación
del boiler de recuperación con el licor negro con alto contenido de sólidos mejora el desempeño global
del boiler y es una tendencia general en la industria.
Para considerar este problema de consumo de energía, una planta Kraft de pulpa usa biomasa.
En efecto, además de ser la alimentación para la producción de pulpa y papel, la biomasa es
también una fuente de energía para la industria. La cual también tiene acceso a los residuos del
cultivo de pulpa de madera, algunos de los cuales pueden ser removidos del bosque con base
sostenible. Todo el licor negro y la mayoría de los residuos de la planta son usados en los sitios
de la misma planta para sistemas de cogeneración de combustible, para proveer vapor y
electricidad para uso "en sitio". La cogeneración también conocida como Energía y Calor
combinados (Combinated Heat and Power, CHP) es la producción simultánea de electricidad y
calor útil del mismo calor o energía. Un sistema de cogeneración típico consiste en un motor,
turbina de vapor o turbina de combustión que opera un generador eléctrico. Un intercambiador
de calor de desecho recupera calor desprendido por el motor y/o gas exhausto para producir
agua caliente o vapor.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Enunciado del Problema
Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa (2)
La cogeneración produce una cantidad dada de energía eléctrica y calor de proceso con 10% a 30%
menos combustible que el necesario para producir la electricidad y el calor de proceso por separado.
Las instalaciones con sistemas de cogeneración los usan para producir su propia electricidad, y usan el
calor en exceso sin usar (desecho) del vapor de proceso, calentamiento de agua y otras necesidades
térmicas. Ellos también pueden usar el calor excesivo de proceso para producir vapor para la
producción de electricidad. En la recuperación química, la planta de vapor y las áreas de cogeneración,
sólidos del licor de pulpa, desechos de madera comprados y autogenerados y lodos del clarificador
primario de la planta de tratamiento de agua de desecho son quemados para recuperar químicos de
cocción y para producir energía. Los licores gastados de la fabricación de pulpa conforman mas del
70'% de los combustibles derivados de biomasa usados en la industria de la pulpa y el papel hoy en
día.
En el proceso de recuperación, el licor negro concentrado de los evaporadores es rociado en el
boiler de recuperación donde el contenido orgánico del licor es quemado, liberando energía y
produciendo vapor para su uso en la planta. Además de la combustión, la porción inorgánica del
licor negro concentrado produce un gas de chimenea.
La razón de producción "electricidad a calor" (electricity-to-heat production) para un sistema de
cogeneración de una turbina de vapor "back-pressure" convencional varía en el rango de 40-60
kWh/GJ, que es relativamente bueno para las necesidades de vapor y electricidad en plantas
Kraft antiguas. Razones de "electricidad a calor" mucho más grandes son posibles usando
biomasa y tecnologías de cogeneración de licor negro basadas en turbinas de gas mas que en
turbinas de vapor. El desarrollo de tecnologías orientadas a la comercialización para convertir
licor negro o residuos de biomasa en gas combustible están en curso, junto con los sistemas de
limpieza que serían necesarios para permitir el uso del gas en ciclos de turbinas de gas.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Preguntas
Pregunta 1. Tratamiento de agua de desecho en el proceso Kraft
de fabricación de pulpa
¿Qué herramientas de Integración de Procesos pueden ser usadas para alcanzar
todos los temas presentados en las diapositivas relacionadas al metanol? Define
los pasos en la metodología que usarías para responder los siguientes puntos:
(A) Minimización de metanol en las corrientes de agua de desecho así como el uso
reducido de agua y la descarga reducida de agua de desecho
(B) Trade-off entre la minimización de costos operacionales relacionados a los
elementos establecido en (A) y los beneficios resultantes de la recuperación de
metanol
(C) Interpretación y uso de los datos operacionales de proceso para ayudar al
operador de la planta de tratamiento a obtener un mejor control de la operación
de la planta de tratamiento de agua de desecho
Pregunta 2. Tratamiento de agua de desecho en el proceso Kraft
de fabricación de pulpa (2)
Usando tu conocimiento de las herramientas de integración de proceso, describe la
metodología que puede ser usada para elegir el mejor agente separador de masa
para tratar las corrientes de desecho de fenol en esta planta Kraft de pulpa y papel.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Tier III – Preguntas
Pregunta 3. Energía en el proceso Kraft de fabricación de pulpa
Con el conocimiento de Integración de Procesos adquirido a lo largo de los dos
tiers anteriores, propón una metodología que ayude a identificar las posibilidades
de ahorro de energía así como el potencial para cogeneración en una planta Kraft
de fabricación de pulpa. Elabora cada uno de los pasos tomados en cuenta para el
estudio y recuerda incluir en tu propuesta el impacto de tu solución en el
ambiente.
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Fin del Tier III
Este es el fin del Módulo 8. Por favor presente su reporte a su
profesor para evaluación.
Siempre estamos interesados en sugerencias sobre como mejorar
el curso. Contáctenos en http://process-integration.tamu.edu/
Módulo 8 – Introducción a la Integración de Procesos
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Introducción a la Integración de Procesos Tier III