CAPÍTULO 8

PREVENCIÓN DE CONTAMINACIÓN Y UNIDADES

DE OPERACIÓN

UNIDADES DE OPERACIÓN Y PREVENCIÓN DE CONTAMINACIÓN

- Reactores Químicos

- Equipos de Separación

- Reactores Separativos

- Tanques de Almacenamiento y Fuentes Fugitivas

Prevención de Contaminación para Reactores Químicos

En el diseño de reactores químicos para prevención de contaminación existen consideraciones importantes :– Materias primas, productos y sub-productos– Rendimiento de conversión y selectividad para

el producto deseado– Establecer el tipo de reacción y hacer la

elección del reactor– Definición de la operación del reactor

Elección de Reactores y Materiales

• La elección de materiales tiene una influencia en sobre los impactos ambientales causados por los reactores en un proceso químico.

• Para materiales usados en un reactor es importante considerar :– La opción de alimentación al reactor

– El catalizador (si se requiere)

– Solventes o diluyentes

Las materias primas y la alimentación usada en los procesos químicos no deben representar amenazas tóxicas al ambiente o a la salud humana.

Se deben adoptar nuevos procesos químicos si las materias primas son eliminadas o sustituidas.

Si se usan compuestos químicos, deben ser reemplazados con un equivalente, una sustancia menos tóxica.

Elección de Reactores y Materiales

Materias Primas y Alimentación

Los solventes son muy útiles en los procesos químicos y debido a su alta volatilidad causan :

- Generación de ozono troposférico (bajo-nivel) debido al smog

- Salud relacionada con los trabajadores

- Asuntos de salud para la población en general en los alrededores de la planta

Elección de Reactores y Materiales

Solventes

Algunos criterios para la elección del solvente son :

• Propiedades del solvente

• Los subproductos generados y sus propiedades

• Los impactos a la salud de los trabajadores y al público en general

• Las repercusiones ambientales

Elección de los Reactores y Materiales

Elección del Solvente

Catalizador : substancia que es añadida a una mezcla química reactiva para acelerar la velocidad de reacción.

Tipo de Catalizador :homogéneo, que forma una fase con la mezcla

reactivaheterogéneo, que existe en una fase distinta a

la mezcla reactiva, (típicamente existe como un sólido dentro de un fluido de mezcla reactiva)

Elección de los Reactores y Materiales

Catalizador

- Permite el uso de materias primas amigables con el ambiente

- Crea directamente, a partir de las reacciones, productos ambientalmente aceptables

- Aumenta la selectividad del producto deseado y disminuye los subproductos (desechos)

- Convierte los desechos químicos en materias primas

Beneficios del CatalizadorElección de los Reactores y Materiales

Consideraciones importantes para la elección del catalizador incluyen : - Disposición final del catalizador - Su posibilidad de regeneración

Ya que estos dos aspectos pueden tener un importante impacto ambiental, es deseable regenerar el catalizador tantas veces como sea posible y/o usar la mínima energía o materiales para regenerarlo en lugar de llevarlo a disposición final.

Elección del CatalizadorElección de los Reactores y Materiales

Elección del Reactor :Tipo de Reacción y Elección del Reactor

Las características que influencian las oportunidades de prevención de contaminación y las estrategias para la elección del reactor químico son :

• Mecanismo de reacción• Orden de reacción• Rutas de reacción en serie o paralelas, • ReversibilidadEstos detalles determinarán la temperatura óptima de

reacción, tiempo de residencia y mezclado.

Como regla general, la reacción deseable incluye :

- Una alta conversión de los reactantes

- Alta selectividad del producto deseado

- Baja selectividad de cualquier subproducto.

Elección del Reactor :Tipo de Reacción y Elección del Reactor

Conversión del reactante (rendimiento de la reacción): razón de la concentración del producto y entrada de reactivo:

R P

[P] / [R]o

Selectividad de reacción: razón de la concentración del producto y la concentración del subproducto indeseado

R P + W[P] / [W]

Selectividad Modificada: es la razón de la concentración del producto y la suma de las concentraciones del producto y subproducto (desecho):

[P] / ([P]+[W]) = [P] / [Reactivo consumido]

Ecuaciones de Conversión y Selectividad

Reacciones paralelas: son rutas muy comunes en la industria química. Este tipo de reacciones están en competencia con las reacciones principales (indeseables).

R P

R W

Reacciones en serie: es cuando una reacción es seguida por otra consecutiva (una después de la otra).

R P W

kp

kw

Tipos de Reacciones

Optimización de reacción en reacciones en serie:

* kp / kw deben ser tan grandes como sea posible* Control del tiempo de residencia de reacción

kp y kw [=] constantes de reacción del producto y desecho respectivamente

Las reacciones reversibles, son reacciones donde existe una competencia entre dos reacciones: una hacia el producto deseado y la otra es la descomposición del producto (en dirección opuesta).

R P

Este tipo de reacciones inhibe la conversión completa de los reactivos en productos.

Tipos de Reacciones

- Reactor agitado de flujo continuo (CSTR): consiste en una reacción agitada batch a ciertos parámetros de asentamiento.

- Reactor flujo tipo pistón: puede dividirse en etapas y cada etapa puede ser operada a diferente condiciones para minimizar la generación de desechos

- Reactor de lecho empacado con catalizador: es usado cuando los puntos calientes son problema para reacciones altamente exotérmicas (es probable que evite temperaturas de excusión no deseadas)

Tipos de Reactores

Pueden influenciar el :- Grado de conversión de los productos- Rendimiento del producto- Selectividad del producto

La temperatura se cambia arriba o abajo del valor inicial:

ΔT = + To or – To

Razón de [producto] / [subproducto] ≈ T (razón directa)

Por lo tanto puede prevenirse en reacciones paralelas (y también en serie) generalmente aumentando la temperatura del reactor

Temperaturas de Reacción

Es la adición de dos o más materias primas en un reactor para asegurar el contacto o colisión entre las sustancias para que se lleve a cabo la reacción química.

El efecto de mezclado ocurre para ambos reactores :

- Sistemas de reacción homogéneos y heterogéneos

- Reactores batch o semi-batch

Mezclado

Los factores que influencian/afectan el mezclado son:

- La reacción debe mezclarse instantáneamente a nivel molecular.

- La velocidad de reacción puede reducirse debido a limitaciones disfuncionales entre elementos segregados de la mezcla reactiva.

- Los problemas con la mezcla imperfecta son particularmente evidentes para sistemas reactivos veloces. En estas situaciones, los reactivos son convertidos de manera considerable a productos y subproductos antes de que el mezclado sea completo.

Mezclado

Las tecnologías de separación son una de las más importantes unidades de operación encontradas en un proceso químico :

Ya que ni las mezclas ni las reacciones químicas son 100% eficientes, es necesario separar los componentes químicos previo a los pasos subsecuentes de proceso.

Las unidades de operación de separación generan desechos porque:

• Los pasos de separación no son 100% eficientes• Requieren entradas adicionales de energía• Requieren tratamiento de desechos

Prevención de Contaminación para Unidades de Separación

La elección del agente de separación de masa (compuesto químico, como solventes) es una tarea importante en la prevención de contaminación para evitar:

- Exposición de los trabajadores y consumidores del producto final a sustancias tóxicas.

- Consumo excesivo de energía en la recuperación del solvente u otras materias primas

- Impactos a la salud asociados con la emisión de contaminantes críticos (CO, CO2, NOx, y SOx, partículas)

Prevención de Contaminación para Unidades de Separación

Elección del Agente de Separación de Masa

Adsorción: es cuando un químico disuelto en una fase líquida o gas se vuelve estático en la superficie de una matriz sólida (adsorbente) empacada en una columna.

- Una de las aplicaciones más importantes de la adsorción es la recuperación de iones de metales tóxicos de corrientes acuosas

Elección del Agente de Separación de Masa

Prevención de Contaminación para Unidades de Separación

Mientras pudiera ser difícil o imposible eliminar todas las corrientes de desecho, es seguro que se pueden minimizar los desechos mediante:

- Elección crítica del agente de separación de masa- Elección correcta y secuencia de las tecnologías de

separación- Cuidadoso control de los parámetros del sistema

durante la operación.

Proceso Químico

Desecho

Aire

Agua

Tierra

Diseño de Operación y Heurísticas de Operación para las Tecnologías de Separación

- Hacer la elección correcta del tipo de proceso de separación (i.e.: adsorción, destilación, diálisis, etc.)

- Considerar varias heurísticas de prevención de contaminación para guiar el diseño del diagrama de flujo y la operación de las unidades

- Asociar corrientes del proceso por composiciones similares

- Evitar la adición de compuestos químicos para mejorar la separación (i.e. corrosivos), al menos que sea necesario

Minimización de Desechos de las Tecnologías de Separación

- Reducir tanto como sea posible el número de componentes de propiedades de componente similares

- Cuando se agregan agentes de separación, removerlos en el siguiente paso del proceso de separación usando una tecnología de agente de separación de energía

- El proceso debe evitar tecnologías de separación que operan lejos de la temperatura y presión ambiente. Si se requieren variaciones grandes de la temperatura ambiental, es más económico operar por arriba que por debajo de ésta.

Minimización de Desechos de Tecnologías de Separación (Continuación)

Se usan para más del 90% de las separaciones en los procesos químicos.

Las columnas de destilación contribuyen con la generación de desechos en cuatro maneras:

a) Permitiendo que las impurezas permanezcan en el producto

b) Formando desecho dentro de la columna misma

c) Por consideración inadecuada del producto superior (overhead)

d) Por excesivo uso de energía

Tipos de Tecnologías de Separación : Columnas de Destilación

Las formas más comunes de aumentar la pureza del producto en destilación son:

- Aumentar la velocidad de reflujo. - Si la columna opera cerca de al punto de inundación (aumentar la

velocidad de reflujo no es una opción), agregar una sección a la columna conlleva a productos de lata pureza.

Existen varias maneras para disminuir la generación de alquitrán en el reboiler de la columna:

- Reducir la presión de la columna resulta en temperaturas más bajas del reboiler.

- Mejorar la tecnología de control del proceso = lograr las especificaciones de pureza del producto

Tipos de Tecnologías de Separación : Columnas de Destilación

Optimización del Uso de las Columnas de Destilación

REACTOR + SEPARADOR = REDUCCIÓN DE SUBPRODUCTOS

Ejemplos:Destilación: - Recuperación de solvente del agua de desecho- Reciclo de tinta y solvente- Destilación batch para anticongelante usado- Recuperación de solvente y reuso en operaciones

de pintura de automóviles

Prevención de Contaminación paraReactores y Separadores

Extracción: - Extracción del residuo de un proceso batch- Recuperación de hidrocarburos de agua de

desecho y lodos de una refinería

Ósmosis Inversa: - Ciclo cerrado del agua de enjuague para el

proceso electroplating- Recuperación de catálisis homogénea metálica

Ultrafiltración: - Recuperación de polímeros del agua de desecho

Prevención de Contaminación para Reactores y Seperadores (cont)

Adsorción: - Deshidratación de gas natural- Reemplazo de la destilación azeotrópica

(benceno, ciclohexano)

Membranas: - Recuperación y reciclo de compuestos

orgánicos volátiles de valores altos- Recuperación de compuestos orgánicos de

agua de desecho- Recuperación iónica metálica de las

corrientes de desecho

Prevención de Contaminación para Reactores y Separadores (cont)

El reactor separativo presenta un alto potencial para reducir la generación de desechos:

- Sistemas híbridos que combinan reacciones químicas y la separación de productos en una unidad de proceso simple.

- Cuando la reacción química y la separación ocurren conjuntamente, los requerimientos para las unidades de proceso aguas abajo se reducen, generando menores costos.

- La generación de subproductos no deseados pude minimizarse en reactores en serie por medio de la remoción del producto deseado

- Las unidades de separación que han sido integradas con reacción incluyen la destilación, separación por membrana y adsorción.

Aplicaciones de la Prevención de Contaminación para Reactores de Separativos

Las reacciones ligadas a la separación con membranas también se usa para aumentar la eficiencia de las reacciones químicas:

- Pueden usarse para remover selectivamente ya sea productos o subproductos de la zona de reacción

- Eliminar conversiones bajas en reacciones limitadas por el equilibrio y reduce la generación de desechos en reacciones en serie.

- También pueden ser usadas para introducir reactivos en la zona de reacción para controlar la formación excesiva de subproductos (e.g. introducción de O2 en la oxidación parcial o en reacciones oxidativas).

Aplicaciones de Prevención de Contaminación de los Reactores de Membrana Separativos

Retos adicionales permanecen antes de que se realice la aplicación comercial de los reactores separativos. Éstos incluyen:

a) Manufactura económica de capas delgadas, libres de impurezas, de membranas de grandes áreas superficiales

b) Sistemas de reacción libre de goteras con sellos de alta temperatura

c) Eliminación o reducción de gases que diluyen las corrientes de producto

d) Membrana aumentada y desempeño del catalizador, incluyendo resistencia a malos olores y desactivación

Aplicaciones de Prevención de Contaminación de los Reactores de Membrana Separativos

- Tanques de Almacenamiento- Fuentes Fugitivas (válvulas, bombas,

conectores de tuberías, válvulas de alivio (presión), conectores de muestreo, sellos de compresor y líneas abiertas-cerradas)

Prevención de Contaminación para

Tanques de Almacenamiento y Fuentes Fugitivas

Los tanques de almacenamiento son unidades de operación muy comunes en varios sectores industriales:

• Producción y refinado de petróleo• Manufactura petroquímica y química,

almacenamiento y transporte• Otras industrias que usan o producen químicos

orgánicos líquidos.

Prevención de Contaminación para

Tanques de Almacenamiento

Principal impacto ambiental de los tanques de almacenamiento:

- Emisiones continuas al aire de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) de ventilaciones del techo

- Remoción periódica de lodos aceitosos de los fondos de los tanques.

Los fondos de los tanques son:- Sólidos y lodos compuestos de óxidos, partículas sólidas,

alimentación con constituyentes pesados y otros materiales densos que se sedimentan y separan del líquido cuando son almacenados.

Prevención de Contaminación

para Tanques de Almacenamiento

Los lodos de los fondos del tanque pueden removerse periódicamente y ser tratados vía aplicación de la tierra o dispuestos como desecho peligroso.

Se puede prevenir que se sedimenten en el tanque:• Con la acción de mezcladores que mantienen los

sólidos suspendidos en el líquido.• Con el uso de agentes emulsificantes que

mantienen al agua y sólidos en solución y lejos de los fondos del tanque.

Minimización de Contaminación de los Lodos de los Fondos del Tanque

Las emisiones al aire de VOCs de tanques de almacenamiento provienen principalmente de las instalaciones de proceso de petróleo y químicos:

Las pérdidas de trabajo son las emisiones que provienen de la operación normal del proceso químico en respuesta a los cambios de nivel del líquido dentro del tanque

Las pérdidas estáticas son las emisiones causadas por la acción de los cambios de la temperatura y presión del ambiente

Minimización de Contaminación de las Emisiones al Aire de los Tanques de Almacenamiento

Las emisiones de los tanques dependen de :- Presión de vapor de los líquidos almacenados- Características del tanque (su tipo)- Color de pintura y condición (del tanque)- Ubicación geográfica del tanque

Existen 6 tipos principales de tanques de almacenamiento:- Techo fijo- Techo flotante externo- Techo flotante interno- Techo de domo flotante externo- Espacio de vapor variable- Tanques de presión

Minimización de Contaminación de las Emisiones al Aire de los Tanques de Almacenamiento

Dentro de componentes individuales, las fugas se localizan cerca de los sellos, empaque de válvulas y juntas. Estas fugas son de dos tipos:

- Fugas de bajo nivel que pueden persistir por periodos largos de tiempo hasta que son detectadas

- Fallas repentinas que resultan en emisiones grandes

Las fugas pueden prevenirse o repararse, además existe tecnologías disponibles para evitar fugas para situaciones donde no se permiten flujos pequeños de emisiones

Reducción de Emisiones de las Fuentes Fugitivas

Existen dos métodos para la reducción o prevención de emisiones y fugas de fuentes fugitivas en la industria :

1) Detección de fugas (LDAR) y reparación de equipo con fugas

2) Modificación de equipos o reemplazo con tecnologías de cero emisiones

Métodos de Reducción de Emisiones Fugitivas

- Equipos como las bombas y válvulas son monitoreadas periódicamente usando un analizador de vapor orgánico (OVA).

- La varita del OVA se dirige hacia la fuente sospechosa de fuga en cada pieza del equipo ( i.e. en el empaque de tuerca de la válvula, en el eje del sello de la bomba.)

- Si la fuente registra una lectura OVA mayor al valor “base”, se dice que el está gteando y necesita ser reparado.

Methods to Reduce Fugitive Emissions

Programa LDAR

La naturaleza de las reparaciones varía :- Puede involucrar algo tan simple como apretar el empaque

de la válvula- Puede requerir el reemplazo del sello de la bomba o de la

junta en el conector.

Los programas LDRA industriales varían grandemente:

- Frecuencia del monitoreo y su efectividad (base mensual, trimestral o anual usando un OVA es el enfoque preferido)

- Problemas en la detección de concentraciones bajas de VOCs

- Intensidad del monitoreo (área)- Costos del monitoreo: establecer la frecuencia del mismo

Métodos para Reducir las Emisiones Fugitivas

La reducción de emisiones fugitivas podría incluir:

- Modificación del equipo (rediseño del proceso)

- Consideración de menos piezas de equipo y conectores

- Reemplazo del equipo con fugas por un equipo convencional nuevo.

Métodos para Reducir las Emisiones Fugitivas