Programa de Movilidad en Educaci

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Programa de Movilidad en Educación Superior para
América del NorteIntroducción de la Integración
de Procesos para el Control Ambiental en la
Currícula de Ingeniería

• Módulo 3 Retos Ambientales Industria de la
  Pulpa y el Papel
• Caroline Gaudreault
• Elaborado en
• École Polytechnique de Montréal
• Texas AM University, 2003

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SIMBOLOGÍA

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Tier IIIProblema Propuesto-Resuelto (Open-Ended)
4
Tier III Objetivo

• Tier III Objetivo
• El propósito de este Tier es proveer al
  estudiante con un problema propuesto-resuleto que
  presente los conceptos de manufactura de mínimo
  impacto incluyendo la integración de procesos y
  el LCA.

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Problema

• Usted es un ingeniero en una planta de pulpa y
  papel. El gerente quiere aumentar su
  competitividad uniendo un mapa tecnológico con la
  meta principal de convertirse en una planta de
  manufactura de mínimo impacto.
• A continuación se muestra cierta información de
  la planta.

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Descripción de la Planta

• Tecnología convencional de obtención de pulpa,
  blanqueado ECF, secado, planta de lodos activados
• Descortezado seco
• Horno de cal normal
• Combustible del horno de cal aceite combustible
  pesado
• Gas del horno de cal alto eff. ESP
• Boiler para corteza (HW corteza)
• Eficiencia total 0.87
• Boiler de lecho fluidizado
• Generación de electricidad a partir del calor en
  exceso en la turbina de condensación de la planta
• Ya que no existe información disponible acerca de
  la planta de tratamiento de efluente, su
  eficiencia se considerará constante. Como
  consecuancia, desde un punto de vista confiable,
  las cargas iónicas de efluentes pueden ser
  consideradas proporcionales a aquellas
  posteriores al tratamiento del efluente.

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Pregunta 1

• Hace unos pocos meses, la empresa ordenó un
  estudio práctico de LCA con el fin de tener una
  noción sobre los impactos ambientales de su ciclo
  de vida. Como primer paso, su jefe le pide que
  revise este estudio así como la simulación de la
  planta y le haga algunas recomendaciones para el
  mejoramiento ambiental. Para hacer esto observa
  la contribución de las unidades de proceso para
  cada impacto y desarrolla un análisis de
  sensibilidad. No usa ninguna normalización o
  comparación de pesos (importancia). También emite
  argumentos sobre costos sin realizar ningún
  cálculo. Determina también con los balances de
  masa cuanto se puede reducir el consumo de agua
  limpia (reciclaje).
• Los límites del sistema están definidos en el
  estudio LCA y las principáles hipótesis se
  presentan en las siguientes páginas.

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Unidad Funcional

• Todos los resultados de LCA son presentados
  relacionándolos con la unidad funcional. La
  unidad funcional se define como
• La producción de 1admt de pulpa.

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Producción Química

• La producción química ha sido incluida dentro de
  los límites del sistema. Se considera que las
  sustancias químicas son transportadas una
  distancia promedio de 100 km usando camiones
  diesel de 40 tons. Y éstos regresan vacíos a sus
  bases. Con fines de cálculo, ha sido asumido un
  peso de 1/10 de los químicos transportados para
  el regreso del camión.
• No se encontraron datos para la manufactura de
  talco, por lo tanto, ha sido excluido de los
  límites del sistema. Sin emabrgo, su
  transportación sí ha sido considerada.

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Sembrado y Cosecha de Abedul

• El sembrado y cosecha del abedul ha sido incluido
  en las fronteras. La madera es transportada en un
  promedio de 100 km. Las mismas suposiciones que
  para los compuestos químicos.

11
Otros

• Los subproductos han sido ubicados.
• Se ha considerado un crédito para la generación
  de energía (pero sólo en la energía).
• La pulpa es transportada 200 km en promedio al
  cliente (las mismas suposiciones que los
  químicos).
• El relleno está localizado a 5 km de la planta,
  se emplean camiones de 16 tons para transportar
  los desechos sólidos se considera
  insignificante el regreso de los camiones.

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Documentos necesarios

• Caso Base LCA
• Simulación del Proceso

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Pregunta 2

• Su jefe está convencido que la mayoría de las
  ventajas competitivas que se pueden ganar con el
  mejoramiento ambiental están relacionadas a la
  reducción de agua limpia.
• En este caso, reciclar el efluente de agua es la
  manera más obvia de reducir el consumo de agua
  limpia, pero esto puede resultar en la
  acumulación de elementos externos al proceso, y
  por lo tanto, reducir el desempeño del proceso.
• Por esta razón, el ha requerido a una compañía
  consultora desarrollar un estudio pinch de agua
  para las restricciones del proceso.

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Pregunta 2 (Cont.)

• El consultor ha evaluado primero la posibilidad
  de un reciclaje directo porque no involucra altos
  costos de capital. Los resultados importantes se
  presentan en la tabla.

Consumo de Agua Reducción en 23
Efluente Líquido Reducción del contenido iónico en 2.3
Efluente Gaseoso Cl, K aumento del 0.2 Na aumento del 6.8
Energía producida Reducción del 5 (se necesita más energía para bombear)
Polvo Aumento del 13.4
Desechos sólidos Diferencia mínima
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Pregunta 2 (Cont.)

• Usando el modelo LCA, discuta si éste representa
  un ambiente real mejorado. Para comparar
  resultados, normalice contra el caso base.
• Un panel de expertos ha determinado que la
  importancia de cada categoría de impacto puede
  ser descrito por los pesos en las siguientes
  tablas. Los recursos y emisiones son pesadas
  separadamente.
• Cuál es la influencia de los pesos en la decisión
  final.

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Pregunta 2 (Cont.)

• Deterioro de recursos

• Emisiones

Impacto Peso
Consumo de agua como materia prima 0.83
Consumo de energía 0.08
Consumo de fibra vírgen 0.01
Otros recursos 0.08
Impacto Peso
Substancias carcinogénicas 0.70
Metales pesados 0.07
Acidificación 0.01
Eutroficación 0.01
Smog de verano 0.07
Smog de invierno 0.07
Desechos sólidos 0.005
Calentamiento global 0.065
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Solución P1

• La simulación del proceso no provee mucha
  información de los impactos ambientales del
  proceso. Sin embargo, es evidente que la planta
  de blanqueado consumo mucha agua limpia y desecha
  mucho al ambiente. A continuación se presenta una
  posible solución para una reducción importante de
  agua

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Solución P1 (Cont.)

• Es posible resumir los balances de agua con este
  dibujo.
• El consumo total de agua limpia es
  9.330.973.8320.6634.79 ton/ton de pulpa seca.
• Sólo agua líquida entra directamente a
  reciclaje 0.9675.920.68120.66 28.23 ton/ton
  de pulpa seca.
• Por razones de conservación de masa, sólo el
  mínimo de agua limpia o efluente líquido pude
  reciclarse ie. 28.23 ton.
• Así, el consumo mínimo de agua es
  34.79-28.236.56 ton (ie reducción del 81).

Proceso
Agua consumida por el reactor 0.113 ton/ton de
pulpa seca
19
Solución P1 (Cont.)

• La gráfica muestra la contribución de cada unidad
  de proceso al consumo de recursos.

20
Solución P1 (Cont.)

• La última figura muestra que las actividades de
  manufactura consumen una gran cantidad de
  recursos agua, fibra virgen y otros recursos
  naturales.
• También muestra que la producción química es
  particularmente demandante de compuestos
  químicos.
• A simple vista, la reducción del consumo de agua
  y químicos resulta en un beneficio importante al
  ambiente.

21
Solución P1 (Cont.)

• La gráfica siguiente muestra la contribución de
  emisiones de cada unidad de proceso relacionada
  con los impactos ambientales.

Contribuciones de los Procesos Categorías de
Impactos de Salidas
100
80
Crecimiento
60
Cosecha
Relleno
Transporte
Producción Química
40
Manufactura de la Pulpa
20
0
Acidificación
Desechos Sólidos
Smog de Invierno
Metales Pesados
Eutroficación
Smog de Verano
Calentamiento Global
Susbtancias Carcinogénicas
22
Solución P1 (Cont.)

• Con esta gráfica es posible observar que
• Las actividades de manufactura son grandes
  contribuidores de acidificación, eutroficación,
  smog invernal y desechos sólidos
• La producción química es un gran contribuidor al
  impacto de todas las categorías pero más
  específicamente de la eurotroficación, metales
  pesados y smong de verano.
• El transporte también parece ser un gran
  contribuidor a varias categorías de impacto
  calentamiento global, substancias carcinogénicas
  y el smog de verano.
• Casi todas las unidades de proceso son causantes
  de calentamiento global.

23
Solución P1 (Cont.)

• Aunque sea imposible hablar sobre la importancia
  relativa de cada impacto ya que no se ha
  realizado ninguna ponderación, es claro, a partir
  de la última gráfica, que las actividades de
  manufactura, incluyendo el consumo de químicos,
  deben ser un objetivo principal con el fin de
  reducir los imapactos ambientales globales. El
  transporte también es un importante contribuidor.
• Los siguientes resultados muestran cuánto afecta
  a los impactos ambientales una reducción de 5 en
  transporte y consumo de químicos. La manufactura
  es más difícil de evaluar, pero se presenta el
  impacto de un aumento de 5 de la manufactura
  producida (de 50 a 52.5). Se ha asumido que una
  producción aumentada sólo impacta la calidad
  requerida de la madera y no al consumo de
  químicos, con la finalidad de mantenerlos a ambos
  separados.

24
Solución P1 (Cont.)

• Es importante notar que sólo se han modificado
  variables fáciles de manipular para determinar
  qué cambios influenciarán a la mayoría de los
  impactos ambientales.
• Los resultados más importantes son
• Un aumento de 5 en el producción resultará en
• Reducción de 5.64 en el consumo de agua limpia
• Reducción de 4.70 en el consumo de fibra virgen
• Reducción de 4.39 en el consumo de recursos
  naturales.
• Una reducción de 5 en el transporte resultará
  en
• Reducción de 4.86 en el consumo de energía
• Reducción de 4.26 de substancias carcinogénicas.
• Una reducción de 5 de químicos no afecta
  significativamente a los impactos ambientales.

25
Solución P1 (Cont.)

• Como ingeniero químico debe proponer lo
  siguiente
• Aumentar el desempeño del proceso, lo que
  reducirá costos.
• Ya que la reducción de las distancias de
  transporte no es muy factible, debe sugerir
  encontrar en medio de transporte menos
  contaminante.
• Aunque la reducción de sustancias químicas
  reducirá los costos, esto no es una prioridad.
• Los balances de masa han mostrado que existe un
  gran potencial de reducción de agua limpia.

26
Solución - P2
27
Solución - P2 (Cont.)

• La gráfica pasada muestra los resultados de LCA
  (recursos) para la opción de reciclo directo de
  agua. Los resultados han sido normalizados contra
  los casos de referencia. De esta gráfica es
  posible decir que
• El consumo de agua cruda en la unidad de
  proceso de manufactura ha sido reducido un 70 a
  partir del caso de referencia.
• El consumo de energía por la manufactura aumentó
  en 5.
• Lo demás permanece constante.

28
Solución - P2 (Cont.)
Pregunta 2 Resultados Normalizados - Recursos -
Emisiones
1.2
1
0.8
Manufact. De Pulpa
Producción Química
Transporte
0.6
Relleno
Cosecha
Crecimiento
Total
0.4
0.2
0
Acidificación
Desechos Sólidos
Metales Peasdos
Smog Invernal
Eutroficación
Smog de Verano
Calentamiento Global
Substancias Cracinogénicas
29
Solución - P2 (Cont.)

• La gráfica anterior muestra una reducción en las
  siguientes categorías de impacto
• Acidificación de las unidades de proceso.
• También muestra un incremento en
• Smog invernal de las unidades de proceso de
  manufactura.
• Todas las categorías de impacto restantes
  permanecen casi constantes.

30
Solución - P2 (Cont.)

• Los indicadores son
• Recursos 0.76
• Emisiones 1.00
• De esto es posible concluir que la solución de
  reciclo directo de agua tiene un impacto positivo
  en las categorías de impacto de recursos (cerca
  de 25 de mejora) y casi no hay impacto en las
  emisiones.

31
Solución - P2 (Cont.)

• Se ha dado mucha importancia al consumo de agua.
  Se ha realizado un análisis de sensibilidad de
  ponderación. El peso del agua ha disminuido
  mientras se mantienen constantes los otros pesos
  relativos.
• Los resultados se presentan en la tabla. Debe de
  notarse que, aún cuando la importancia del agua
  pasa de 83 a 10, existe un beneficio ambiental.

Ponderación del consumo de agua cruda Indicador
0.83 0.76
0.50 0.85
0.30 0.91
0.10 0.97
32
Solución - P2 (Cont.)

• La categoría de impacto más influenciada por el
  reciclo directo, a parte del agua, es la energía.
• Al aumentar el peso de la energía, manteniendo
  las otras razones constantes, obtenemos los
  resultados presentados en la tabla.
• La conclusión de las 2 tablas es que el
  mejoramiento ambiental depende de las
  ponderaciones.

Ponderación de la Energía Indicador
0.08 0.76
0.16 0.78
0.32 0.82
0.64 0.90
0.83 0.96
33
Solución - P2 (Cont.)

• Se ha empleado la misma estrategia a todas las
  categorías de impacto de emisión. Se ha realizado
  un análisis de sensibilidad para la ponderación
  de la acidificación y el smog invernal.
• La acidificación ha sido reducida, por lo tanto,
  el análisis de sensibilidad trata de determinar
  si más pesos en esta categoría de impacto
  reducirá significativamente el indicador.
• La tabla muestra que aún cuando el peso de la
  acidificación pasa de 1 a 80 sólo resultará en
  un mejoramiento de 2.

Ponderación de la Acidificación Indicador
0.01 1.00
0.10 1.00
0.20 1.00
0.40 0.99
0.80 0.98
34
Solución - P2 (Cont.)

• El somg invernal ha sido aumentado de tal forma
  que el análisis de sensibilidad trata de
  determinar si un mayor peso en el impacto de esta
  categoria aumentará significativamentge el
  indicador.
• La tabla muestra que aún cuando el peso del smog
  invernal pasa de 7 a 80 sólo resultará en 1 de
  degradación.
• Las 2 tablas previas muestran que el indicador de
  emisiones es muy dependiente de las ponderaciones.

Ponderación del Smog Invernal Indicador
0.07 1.00
0.14 1.00
0.28 1.00
0.56 1.00
0.80 1.01
35
Solución - P2 (Cont.)

• Conclusión general
• El reciclaje directo de agua resulta en un ahorro
  positivo del recurso (24) sin comprometer a las
  otras categorías de impacto.
• Además es una solución a bajo costo.
• En consecuencia, su implementación es altamente
  recomendada.