auditoria energetica informe sector quimic

8/19/2019 Auditoria energetica Informe Sector Quimic

1/93

Eficiència energètica en

el sector químic i Situació

a atalunya

Centre d’Innovació SIMPPLE.

Gener 2005

Informes i estudis tecnològics encarregats per l’Institut

atalà d’Energia


2/93

SITUACIÓ TECNOLÒGICA DEL SECTOR QUÍMIC

I LES SEVES MILLORS TECNOLOGIES

DISPONIBLES EN CONSUM D’ENERGIA

Realitzat pel Centre d’Innovació SIMPPLE

per encàrrec de l’Institut Català d’Energia (ICAEN)

Gener 2005


3/93

i

ÍNDEX GENERAL

TOM I. Resum de l’estudi

Introducció.................................................................................................... I-2

- Estalvi d'energia en els processos químics industrials.............................. I-2

Situació tecnològica del sector a Catalunya.................................................. I-6

Valoració de les millores estudiades.............................................................. I-6

Bibliografia..................................................................................................... I-10

TOM II. Avaluació de les tecnologies eficients avançades

1) Bones pràctiques generals............................................................................ II-2

2) Processos d’evaporació. Evaporador multiefecte.......................................... II-20

3) Processos de separació per membranes...................................................... II-28

4) Integració de processos: Tecnologia PINCH per a l’ optimització de xarxes

de bescanviadors de calor............................................................................ II-42

5) Intensificació de processos........................................................................... II-52

6) Control avançat de processos....................................................................... II-56

7) Eines computacionals de simulació............................................................... II-65

8) Avaluació del Cicle de Vida (ACV) de processos i productes........................ II-74

TOM III. Directori dels proveïdors de tecnologies avançades


4/93

I - 1

TOM I.

RESUM DE L’ESTUDI


5/93

I - 2

INTRODUCCIÓ

L'Institut Català de l'Energia està desenvolupant un projecte per identificar i avaluar

les Millors Tecnologies Disponibles en els diferents sectors industrials deCatalunya, per tal de proporcionar a les empreses solucions i alternatives perdisminuir el seu consum energètic.

El Centre d’Innovació SIMPPLE, de la Universitat Rovira i Virgili de Tarragona,col·labora amb l’ICAEN en l'assessorament abans mencionat per al sector químic,sota la supervisió del Dr. Francesc Castells, catedràtic del Departamentd’Enginyeria Química d’aquesta universitat. L’objectiu de l’estudi és triple:

(1) Analitzar la situació tecnològica actual del sector químic a Catalunya (anàlisiqualitativa), del que està implantat d'aquestes tecnologies energètiques id'altres tecnologies eficients més innovadores

(2) Actualitzar l'avaluació de les tecnologies energètiques que ja es tenenidentificades, descartant les obsoletes, i fer l'avaluació de les novestecnologies que han aportat els subministradors o implantat les indústries mésinnovadores

(3) Recollir els subministradors de noves tecnologies aparegudes en els darrersanys

Estalvi d'energia en els processos químics industrials

Una planta química industrial és un conjunt d’instal·lacions que fan possible queunes matèries primeres es transformin en productes acabats de valor comercial.Per què pugui considerar-se com a planta química, com a mínim una d’aquestestransformacions ha de ser una reacció química. Tot i això, la major part delsprocessos que es desenvolupen en una planta química són habitualment processossense reacció química, pel que podrien també trobar-se en altres sectorsindustrials.

Els principals tipus d’equips de procés que poden trobar-se en una instal·lacióindustrial del sector químic són els següents:

(1) Equips de reacció

- Reactors agitats, per operacions en discontinu (batch) o en continu (CSTR)

- Reactors tubulars

- Reactors catalítics de llit fix

- Reactors de llit fluiditzat

- Cel·les electrolítiques


6/93

I - 3

(2) Equips per a processos de separació

- Separadors flash

- Columnes de destil·lació

- Columnes d’absorció / stripping

- Columnes d’extracció

- Equips de separació de sòlids (ciclons, decantadors, filtres,cristal·litzadors...)

- Membranes

(3) Equips de transferència de calor

- Bescanviadors de calor

- Evaporadors / assecadors- Equips de producció de vapor (calderes...)

- Equips de producció de fred

- Torres de refrigeració, aerorefrigerants, etc.

(4) Equips de bombeig, compressió i similars

- Bombes

- Compressors

- Turbines

- Extrussores

- Equips d’obtenció de buit

(5) Altres equips de procés

- Equips de mescla (agitats mecànicament o no)

- Equips de trituració/molturació

- Instal·lacions d’emmagatzematge i envasat

(6) Instrumentació i sistemes de control

L'anàlisi energètica d'una planta productiva del sector químic, per tant, hauriad'incidir sobre tots aquests tipus d’instal·lacions.

L’estalvi d’energia pot aconseguir-se bàsicament de dues maneres:

a) Reduint directament els propis requeriments energètics de la instal·lació

productiva, ja sigui de forma individual per a cada equip de procés, ointegrant els consums i generacions d’energia de diferents parts de la planta


7/93

I - 4

(integració de xarxes de bescanviadors, utilització de sistemes decogeneració, etc.).

b) Mitjançant un augment de la productivitat de la planta, de forma que el

consum energètic per unitat produïda disminueixi. En aquest augment deproductivitat s’inclou qualsevol situació que impliqui una reducció de laquantitat de productes fora d’especificacions, reducció de la generació deresidus, reaprofitament de productes secundaris, etc.

Les estratègies per aconseguir ambdós tipus d’estalvi energètic poden basar-se enmodificacions del procés productiu de diferent envergadura. Se’n mencionen elssegüents tipus:

- Optimització de les condicions d’operació (pressió, temperatura, cabals,concentració...) en una unitat de procés. Normalment, aquest tipus de canvino implica cap inversió en capital, pel que el guany econòmic és immediat.

- Integració dels processos de la planta: optimització de la xarxa de vapor o dela de bescanviadors de calor, cogeneració de vapor i electricitat, factorsd’escala... Tots aquests conceptes poden afectar l’eficiència global de lainstal·lació productiva sense necessitat de variar les condicions particularsde cada unitat del procés.

- Optimització del sistema de control, que pot estar relacionat amb els dosconceptes anteriors; pot facilitar que el procés operi en les condicions

desitjades i/o aprofitar informació de tota la planta per establir les condicionsd’operació òptimes.

- Millora dels dissenys dels equips. Per exemple, canvi del material oincrement dels gruixos d’aïllament tèrmic, utilització de motors adequats (noexcessivament sobredimensionats) als requeriments del procés,modificacions geomètriques (en difusors, agitadors, plats de columnes dedestil·lació, increment de l’àrea de contacte en serpentins refrigerants, etc.)per facilitar els processos de transferència de calor i/o matèria que tenen llocen un equip donat, amb la consegüent reducció d’un temps de reacció, millor

velocitat de mescla, etc. Les possibilitats són tan diverses com diversos sónels equips i sistemes que es poden considerar. El cost de la inversiórequerida serà decisiu per a establir la viabilitat econòmica d’aquest tipus demodificacions.

- Menció especial requereix el disseny de nous equips seguint la filosofia de laintensificació de processos,

- Millores conceptuals a les diferents etapes del procés, ja siguin pròpiamentquímiques (desenvolupament de nous catalitzadors, utilització demecanismes de reacció o matèries primeres alternatives, etc.) o processos

auxiliars (definició de noves estratègies de separació, mescla, escalfament o


8/93

I - 5

refrigeració, etc.). Aquest tipus de modificacions poden implicar una activitatd’R+D+i d’una certa envergadura, però a vegades també poden aplicar-sesense modificacions importants en la instal·lació productiva.

- Utilització de processos alternatius conceptualment diferents. Aquest tipusde canvi implicaria la modificació total de la planta productiva, pel que nomésté sentit en el moment de construir-se una nova instal·lació.

Aquesta diversitat d’estratègies per aconseguir un estalvi energètic s’afegeix a lapròpia diversitat de processos desenvolupats per la indústria química. Cada plantaquímica pot tenir característiques molt específiques. Moltes vegades es trobenequips o processos que només es desenvolupen en una única instal·lació. Això ésespecialment cert pel que respecta als processos pròpiament químics (aquells enels quals es desenvolupen reaccions químiques). Les característiques físiques

(dimensions, condicions acceptables d’operació, etc.) de les instal·lacionsproductives també poden ser molt diferents d’un cas a un altre, fins i tot quandesenvolupen el mateix tipus de procés o reacció química.

Per tot això, les possibles actuacions d’estalvi energètic depenen significativamentde cada cas concret considerat, el que fa que una relació exhaustiva de les millorstecnologies disponibles per a totes les operacions desenvolupades en el sectorquímic a Catalunya sigui pràcticament impossible.

En el material presentat al TOM II d’aquest estudi, es presenten primer unesnormes generals d’estalvi energètic per als equips principals que caracteritzen els

processos desenvolupats a les indústries del sector químic. Aquestes normes, obones pràctiques generals, poden semblar òbvies, però moltes vegades no essegueixen de forma rigorosa.

A més del llistat de bones pràctiques generals, també s’enumeren una sèrie detecnologies innovadores que poden incorporar-se al sector químic (o implementar-se en major mesura que l’actual) per a l’optimització energètica dels seusprocessos productius. S’inclouen tant tecnologies que poden ser implantadesdirectament en planta en substitució de les actuals, com eines i metodologies dediagnosi i optimització, les quals es poden utilitzar per avaluar i per optimitzar

l’eficiència energètica d’una instal·lació particular. Aquest segon grup detecnologies és especialment important per la gran diversitat de situacions quepodem trobar-nos en aquest sector, com s’ha comentat anteriorment.

Un factor que cal tenir també en compte és que les indústries de procés químictenen molts aspectes en comú amb altres indústries de procés, pel que les einesd'anàlisi i les solucions d’estalvi energètic que es poden aplicar són també sovintles mateixes.

Finalment, indicar que les dues primeres referències indicades a la bibliografiapoden ser utilitzades per augmentar el coneixement sobre el tema. El BREF sobreeficiència energètica, particularment, quan surti publicat, serà un document de


9/93

I - 6

treball molt recomanable, si ens basem en els altres BREFs actualment japublicats, ja sigui en la seva versió definitiva o com a esborrany. Aquestsdocuments poden obtenir-se lliurement a la pàgina web:

http://eippcb.jrc.es/pages/FActivities.htm

SITUACIÓ TECNOLÒGICA DEL SECTOR A CATALUNYA

El sector químic a Catalunya es caracteritza per la seva importància dins l’estatespanyol. Gairebé la meitat de la indústria química de l’estat és a Catalunya, tantpel que fa a la producció en tones com en valor econòmic. El mateix pot dir-se delvolum d’importacions o d’exportacions.

A Catalunya, el sector químic és el que en xifres globals consumeix més energia,de l'ordre de 500.000 Tep/any (dades de l’any 1993), pel que requereix unaespecial atenció.

En una anàlisi global, hom pot observar que a les grans empreses químiques ipetroquímiques, amb consums energètics superiors a 20.000 Tep/any, la gestióhabitual de l'energia està bastant optimitzada. Actualment, les accions mésimportants per a l'obtenció d'estalvis significatius d'energia consisteixen en laimplantació de tècniques de cogeneració.

L'experiència mostra, però, que en el camp de la petita i mitjana empresa d'aquestsector, encara existeix un gran ventall de possibilitats d'actuació en el tema del'estalvi energètic, que van des de les més senzilles, com millores en l’aïllamenttèrmic, a les més importants, com l'aplicació de sistemes de cogeneració o lainstal·lació de cicles d'absorció per a la producció de fred a partir de fonts de calorresidual.

VALORACIÓ DE LES MILLORES ESTUDIADES

Com s’ha indicat anteriorment, el primer grup d’actuacions d’estalvi energètic ques’ha de considerar per al sector químic és l’inclòs en l’apartat “Bones pràctiquesgenerals”. Aquestes mesures no constitueixen realment cap tipus de tecnologiainnovadora però el seu acompliment es considera necessari de forma prèvia a laimplementació de qualsevol altra tecnologia més complexa.

A més de les anteriors normes generals, s’han identificat i analitzat les següentstecnologies innovadores d’estalvi energètic per al sector químic:

- Processos d’evaporació. Evaporador multiefecte


10/93

I - 7

L’objectiu de l’evaporació és concentrar una solució que consta d’un solut novolàtil i un dissolvent volàtil, mitjançant l’evaporació parcial d’aquest dissolvent.Si s’utilitza un sol evaporador s’anomena d’efecte simple, mentre que si estàconstituït per diversos evaporadors connectats entre sí, s’anomena multiefecte.

L’avantatge principal que presenten els evaporadors multiefecte són l’estalvienergètic del sistema d’evaporació, ja que l’entalpia de vapor viu que arriba alprimer efecte es pot aprofitar una o més vegades, segons el nombre d’efectesutilitzats. L’aplicabilitat d’aquesta tecnologia dependrà del balanç entre estalviaconseguit i cost de la inversió requerida. Normalment, el punt òptim es troba alvoltant dels tres efectes.

- Processos de separació per membranes

Les membranes són barreres físiques (no necessàriament sòlides) queprovoquen la separació dels components d’una mescla.

Existeix una gran diversitat d’aplicacions de les membranes. Per la sevaimportància industrial i per ser les que poden suposar un major estalvi energètic,se’n destaquen les d’osmosi inversa i pervaporació.

L’osmosi inversa (OI) comparteix amb la microfiltració el liderat dins de lesseparacions per filtració amb membrana. Amb la OI es poden retenir soluts de

pes molecular menor de 200. L’aplicació més extensa de la OI és ladesalinització d’aigües, tot i que també té una àmplia aplicabilitat a la indústriaalimentària, indústria paperera i tractament d’aigües residuals en general.

La pervaporació és l’únic procés de separació per membrana en què es produeixun canvi de fase, i les membranes adequades són no poroses. Des del punt devista industrial, la pervaporació és el procés més atractiu ja que permet tractarsituacions equivalents a la destil·lació d’una forma energèticament més eficient.

- Integració de processos. Tecnologia PINCH per a l’optimització de xarxes debescanviadors de calor

La tecnologia Pinch consisteix en la identificació de tots els corrents que han deser escalfats o refredats en una planta, per establir la forma òptima derelacionar-los en bescanviadors de calor, de forma que es minimitzin elsrequeriments d’utilitats de fred i calor.

Experiències passades indiquen que el període de retorn de la inversió potoscil·lar entre els 3 i els 18 mesos.


11/93

I - 8

- Intensificació de processos

La intensificació de processos és una filosofia de disseny que es fonamenta enla utilització d’equips de procés el més petits i compactes possibles, per

optimitzar els processos de transferència que hi tenen lloc. A efectes pràctics, lessolucions adoptades consisteixen moltes vegades en la integració de duesoperacions diferents (reacció i separació, reacció i intercanvi de calor, etc.) en unúnic equip.

Existeixen diversos processos d’aquest estil desenvolupats arreu del món, peròaquest camp encara es troba en un estat de desenvolupament bastant incipient.Per aquest motiu, existeixen incerteses tècniques que limiten el seu úsgeneralitzat.

- Control avançat de processos

Les plantes productives del sector químic, per les seves pròpies característiquesd’operació i riscos associats, presenten un grau relativament elevatd’automatització. Tot i això, durant els últims anys s’ha produït un grandesenvolupament en diverses tècniques avançades de control de procés, ambuna implementació encara molt minoritària.

Aquestes tècniques inclouen diversos graus de sofisticació, que poden anar des

de l’ajust automàtic dels paràmetres dels controls PID habituals (autotuning ) finsa la utilització de tècniques de planificació de la producció en funció de variablesexternes a la pròpia planta (situació del mercat, cost de matèries primeres, etc.),passant per la utilització d’algorismes de lògica difosa, sensors virtuals(estimadors de propietats), control multivariable, control predictiu, etc.

Totes aquestes tècniques poden ser útils per reduir la variabilitat del procés i, enconseqüència, operar amb seguretat el més a prop de l’òptim que sigui possible.

El cost d’implantació de les tècniques de control avançat pot ser molt baix encomparació als beneficis aconseguibles, pel que la seva utilització és moltrecomanable.


12/93

I - 9

- Eines computacionals de simulació

La simulació per ordinador consisteix en el càlcul dels diferents equips de procésd’una planta aplicant els principis de conservació de matèria, energia i quantitatde moviment i les lleis físiques i químiques corresponents. Aquests càlculspermeten avaluar d’una forma ràpida, segura i econòmica l’efecte de canvis enles condicions d’operació, en el dissenys dels equips o en la configuració de laplanta, de forma que es pot optimitzar l’eficiència energètica o la productivitat dela mateixa.

La simulació de processos convencional és actualment molt utilitzada per aldisseny de noves plantes, sobretot en el sector petroquímic, no tant en el de la

química fina o la química inorgànica, però limitat normalment a processos enestat estacionari. L’increment en la seva utilització, per exemple en aquestsaltres subsectors o per estudiar els períodes transitoris de l’operació (arrancada,parada, situacions d’emergència), és una possibilitat molt recomanable peroptimitzar energèticament el procés.

A més de les simulacions convencionals, durant els últims anys s’ha produït ungran desenvolupament de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD), quepermet estudiar en detall variables addicionals que no poden avaluar-se amb lestècniques anteriors. Entre aquestes variables poden mencionar-se la geometria

dels equips, agitació en processos de mescla, efecte de la presència dediverses fases, etc., totes les quals poden afectar significativament a l’eficiènciaenergètica d’un procés.

- Avaluació del Cicle de Vida (ACV) de processos i productes

L’Anàlisi del Cicle de Vida (ACV) és una eina de gestió que serveix per avaluar elcomportament ambiental d’un producte al llarg de tot el seu cicle de vida (“desdel bressol a la tomba”). Això vol dir que l’estudi inclou, a més de la fabricaciód’aquest producte, la producció de les seves matèries primeres, el seu ús imanteniment i la gestió del residu un cop ha acabat la seva vida útil.

Els estudis d’ACV utilitzen una metodologia molt concreta, que té 4 fases: ladefinició d’objectius i abast de l’estudi, la realització d’un inventari dels consums(de matèria i energia) i les emissions de cadascuna de les etapes del cicle devida, l’avaluació dels impactes que aquests consums i emissions poden provocarsobre el medi ambient i finalment una interpretació dels resultats obtinguts(norma ISO 14040).


13/93

I - 10

BIBLIOGRAFIA

- J. de Swaan Arons, H. van der Kooi, K. Sankaranarayanan. “Efficiency andSustainability in the Energy and Chemical Industries”. Book News Inc., 2004

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Reference Documenton Best Available Techniques for Energy Efficiency”. En desenvolupament.(http://eippcb.jrc.es/pages/FActivities.htm).

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Reference Document onBest Available Techniques to Industrial Cooling Systems”. Desembre 2001.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Reference Document onBest Available Techniques in the Chlor-Alkali Manufacturing Industry”. Desembre2001.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Reference Document onBest Available Techniques in the Pulp and Paper Industry”. Desembre 2001.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Reference Document onBest Available Techniques for Mineral Oil and Gas Refineries”. Febrer 2003.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Reference Document onBest Available Techniques in the Large Volume Organic Chemical Industry”.Febrer 2003.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Draft Reference Documenton Best Available Techniques for the Manufacture of Organic Fine Chemicals”.Febrer 2004.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Draft Reference Documenton Best Available Techniques in the Large Volume Inorganic Chemicals, Ammonia, Acids and Fertilisers Industries”. Març 2004.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Draft Reference Documenton Best Available Techniques in the Large Volume Inorganic Chemicals, Solids

and Others Industry”. Agost 2004.

- Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC). “Draft Reference Documenton Best Available Techniques in the Production of Polymers”. Setembre 2004.


14/93

II - 1

TOM II.

AVALUACIÓ DE LES TECNOLOGIESEFICIENTS AVANÇADES


15/93

II - 2

1) BONES PRÀCTIQUES GENERALS

Abans de començar a parlar de tecnologies eficients innovadores, cal mencionar

una sèrie de bones pràctiques que poden suposar un significatiu estalvi energètic.

En aquest context, les bones pràctiques es defineixen com el conjunt de formescorrectes d’actuació del personal i de gestió i de control de les activitats industrials,que afavoreixen tant l’ús eficient dels recursos materials i energètics.

a) Descripció genèrica i conceptual de la proposta

Les bones pràctiques generals poden classificar-se en funció de si afecten a

aspectes globals d’una planta química o de forma particular a les diferentsoperacions unitàries que la composen.

Amb aquesta classificació en ment, a continuació s'enumeren les pràctiques quecaldrà tenir en compte per millorar el rendiment d’una instal·lació, considerant-la deforma global. En principi no s'ha entrat en gran detall, ja que es suposa que lamajor part d'elles s'han tractat en altres sectors, o per què llur conveniència ésevident en elles mateixes. Això no obstant, es comentaran aspectes que podenafectar de forma especial al sector químic.

- Mesura dels consums energètics de cada equip i unitat de procésEncara que sembli evident la conveniència de conèixer aquests consums, enmoltes plantes químiques només es coneixen dades generals de consumselèctrics o de fuel, però no els consums energètics i/o els fluxos de calor quetenen lloc als diferents equips de procés, el que impedeix la seva anàlisi i, sis’escau, la seva optimització. La identificació i quantificació dels punts deconsum energètic és el primer pas per poder procedir a mesures d’estalvienergètic significatives. Per tant, és necessari disposar de la instrumentaciósuficient per mesurar aquestes variables.

- Aïllament tèrmic

És necessari en tubs i recipients que treballin a temperatures entre 10 i 20 grausper sobre o per sota de la temperatura ambient. Cal evitar tant la pèrdua de calorcom de fred. Caldrà doncs, calorifugar també les instal·lacions de fred i lesunitats que treballin amb gasos liquats (LPG) a baixa temperatura.

Si no s'aprofita la calor de l'aigua de refrigeració, que és el més habitual, no calcalorifugar les línies de vapor que surten de les columnes cap als condensadors.

Encara que normalment estiguin a temperatura ambient, caldrà calorifugar leslínies que pugin gelar-se a l'hivern.


16/93

II - 3

- Optimització de xarxes de vapor

De forma general, en funció de la temperatura requerida en una utilitzaciódeterminada, es triarà el tipus de vapor més adient, que serà aquell de mínima

pressió.

El balanç general d'energia permet verificar si la distribució dels diferentselements de la xarxa de vapor és correcta. Per exemple, si existís un excedentde vapor de baixa pressió, potser podria aconseguir-se un estalvi energèticinstal·lant una turbina de condensació en lloc d'una de contrapressió, o bécanviant una turbina de vapor per un motor elèctric.

Quan existeixin excedents de vapor de baixa pressió i sigui necessari a nivells depressió més elevats, una altra possibilitat és la compressió mecànica d'aquestfins la pressió i temperatura requerida. Una altra possibilitat és la incorporació debombes de calor per absorció aigua/bromur de liti o aigua/amoníac, permet laproducció de fred per a un circuit de refrigeració a partir de l'absorció de calord'un focus calent de baix nivell tèrmic (aigua calenta o vapor de molt baixapressió).

En processos molt simples, com per exemple un reactor escalfat amb vapor,l'anàlisi global i el particular es confonen però en una xarxa de procés ambdiferents punts de consum és molt útil establir un esquema similar per quadrar elbalanç total d'energia amb els balanços particulars de cada unitat.

Altres aspectes particulars relacionats amb l’eficiència energètica de les xarxesde vapor són:

- Recuperació de condensats

Els condensats dels corrents de vapor han de recuperar-se al nivell adequat,procurant, si cal, disposar de col·lectors a diferents pressions recuperant elvapor que pugui produir-se per expansió.

- Correcta graduació dels diferents nivells de pressió dels col·lectors de vapor.Quan hi ha turbines que treballen entre dos nivells de pressió, augmenta elrendiment quan la separació entre aquests és màxima.

- Subministrar vapor a nivells inferiors mitjançant turbines, evitant si és possiblelaminacions (expansions a través de vàlvula), i atemperadors.

Per exemple, si un bescanviador de calor està alimentat amb vapor de mitjapressió, és preferible que aquest vapor surti d'una turbina que s'alimenta ambvapor d'alta pressió i que descarrega prop de les condicions de saturació, queno pas expansionar el vapor d'alta pressió i atemperant-lo abans d'alimentar elbescanviador.


17/93

II - 4

- Millores en el sistema de generació d'energia. Observant la distribució delsconsums de vapor i d'energia elèctrica es pot aconsellar la instal·lació d'equipsde cogeneració. En el cas que el consum de vapor es consideri escàs, es podeninstal·lar turbines de vapor que substitueixin a motors elèctrics. En el cas que es

requereixi proporcionalment més consum de vapor, es pot instal·lar un sistemade cogeneració amb cicle combinat, en el que la generació de vapor escomplementi amb un aportament addicional de combustible en el generador devapor.

- Canvi turbina/motor (si és possible). Buscar en cada cas l'opció més correcta. Enfuncionament normal, la turbina sol estar en marxa i es deixa el motor enreserva. No obstant, l'equilibri de la xarxa pot demanar el contrari. Unaoptimització que minimitzi costos donarà l'opció més correcta. Aquest equilibripodrà ser variat quan la planta inclogui un sistema de cogeneració del qual

resulti un excedent d'energia tèrmica.

- Control de procés. Un control de procés correcte és molt important per al'obtenció de condicions d'operació estables que permetin aconseguir unproducte de qualitat assegurada. Si aquestes condicions d'operació s'hanoptimitzat a fi d'obtenir un màxim aprofitament energètic, un control correcte delprocés permetrà mantenir el consum energètic en el mínim valor que s'hagipogut aconseguir. D’aquest tema es parla més extensament a l’apartat 6. Controlavançat de processos.

- Fiabilitat de mesuradors. El balanç energètic global ha de ser compatible amb elsbalanços locals. Si no és així, s'han de revisar els aparells de mesuracorresponents. Si després de revisar-los continua la diferència, caldrà comprovarsi existeix algun "bypass" no controlat pel mesurador o alguna fuita no controladad'aigua o de vapor.

- Realització d’auditories energètiques. Les auditories les realitzen professionalsespecialitzats amb el suport de les administracions competents. La participacióde personal extern a la pròpia planta és molt recomanable perquè permet laintroducció de noves tecnologies eficients, potser no conegudes internament al’empresa.

Una auditoria energètica requereix l’anàlisi de cadascun dels equips de la planta,la qual es basa en la realització de balanços de matèria i energia percaracteritzar els consums reals de la unitat. L’auditoria s’estructura en tres fases:

1-. Inventari. Recopilació de tota la informació tècnica necessària i característicade la instal·lació

2-. Anàlisi de les dades recollides

3-. Diagnòstic: en aquesta fase es detecten les accions a emprendre per millorar

l’eficiència energètica de les instal·lacions. Aquestes millores poden consistir,


18/93

II - 5

per una part, en variacions en les condicions d'operació, o bé en mesuresaddicionals que requereixin una modificació més important de la instal·lació.

Passant ja a les bones pràctiques particulars dels diferents equips i unitats que

podem trobar en una planta química, s'han considerat els equips següents,representatius de tots els tipus indicats a la introducció (pàgines 3-4). No s’haninclòs altres equips que s’han explicat amb més detall a les altres tecnologieseficients, com poden ser els evaporadors, els bescanviadors de calor, etc.

- Reactor batch

- Columnes de destil·lació

- Separadors flash

- Absorció / stripping

- Xarxes d'aire comprimit

- Producció de buit. Ejectors de vapor

A continuació es descriuen els aspectes principals de cada un d’aquests equipsremarcant els aspectes relacionats amb el consum energètic dels mateixos i lespossibles mesures d’estalvi que s’hi poden aplicar.

REACTOR BATCH

És un reactor químic de funcionament discontinu perfectament agitat. Consisteix enun tanc o vas tancat en el qual té lloc una reacció química. Pot ser també un tubcilíndric o un loop. Disposa sovint d'un sistema d'agitació mecànica, tot i quel'agitació en alguns casos, pot ser deguda a una bomba de circulació.

Normalment el recipient es manté tancat durant la seva operació, excepte pelventeig que serveix per prevenir pèrdues de material, pol·lució i perill per al

personal de planta. Si la reacció és a pressió, el venteig és substituït per unavàlvula de seguretat. Aquest tipus de reactor s'utilitza en plantes pilot de múltiplesusos i en indústries alimentàries i farmacèutiques.

L'esquema de la figura 1.1 descriu els elements més habituals d'un reactor batch.S’incorpora també una camisa externa que permet l'addició de calor provinent d'unalínia de vapor, o bé l'eliminació de calor mitjançant un fluid refrigerant. Moltesvegades, la camisa està complementada amb un serpentí intern, ja sigui perrefrigeració o per escalfament.


19/93

II - 6

Els punts de consum energètic d'un reactor batch són l'agitador mecànic o labomba de circulació, i la camisa/serpentí que permeten subministrar o eliminarcalor als reactius.

Figura 1.1: Esquema d'un reactor batch

El consum energètic de l'agitador serà important en els casos de reactius/productesmolt viscosos i de poca o nul·la importància en els casos de viscositat baixa, similara la de l'aigua.

El consum energètic degut a la camisa alimentada amb vapor serà igual a l'energianecessària per a què tingui lloc la reacció. La substitució d'un vapor d'alta pressió

per un de menor pressió pot ocasionar la no realització de la reacció desitjada o, enel millor dels casos, una disminució de la velocitat de reacció amb el consegüentaugment del temps de residència.

Per poder portar a terme el balanç energètic, cal tenir dades de la temperatura delreactor, la temperatura de la camisa, concentracions, cabals, viscositat, etc.

Existeixen diverses formes de minimitzar el consum energètic d'un reactor batch:

- La funció que té l'aportament energètic és la de disminuir l'energia d'activació pertal que la reacció es produeixi. Suposarà un estalvi energètic important la

utilització de catalitzadors per disminuir l'energia d'activació.


20/93

II - 7

Si en el procés ja s'utilitzen catalitzadors, es poden buscar noves substànciesque actuïn com a tal i que suposin una millora del procés en aquest aspecte.

- Si s'augmenta l'entalpia d'entrada dels reactius, es pot arribar més aviat a

superar l'energia d'activació. Per aconseguir això, es poden utilitzar fontsresiduals de calor per preescalfar l’alimentació de reactius.

- Existeixen reaccions exotèrmiques que inicialment necessiten un aportamentd'energia per superar l'energia d'activació, però una vegada començada aquesta,es comença a desprendre calor que s'ha d'evacuar per la camisa. Aquest calores pot aprofitar per altres usos. A vegades és útil un reflux exterior per controlarmillor la temperatura de reacció.

- Sempre que hi hagi un estalvi de temps, tindrem un estalvi energètic. Acontinuació s'enumeren alguns paràmetres que es poden optimitzar peraugmentar la velocitat de reacció.

i) La proporció inicial de reactius.

ii) Si en la reacció hi ha involucrat un producte/reactiu en fase gas, esimportant el control de la pressió en el reactor (en alguns casos seràimportant augmentar-la i en altres serà millor utilitzar un equip de buit).

iii) També influirà la velocitat d'agitació; s'ha d'intentar que aquesta sigui elsuficientment alta per a què la mescla de reactius sigui el màxim

d’homogènia per afavorir el contacte entre les diferents espècies i per tantla reacció.

Els reactors batch s'utilitzen per a produccions a petita escala, ja que necessitenmenys equips auxiliars (bombes, sistemes de control ...). També s'utilitzen quan elventall de productes a produir sigui molt gran, ja que permeten una major flexibilitatde condicions d’operació, un major control de la reacció i un menor temps per tenir-lo preparat (rentat i posta en marxa). Per això, s'utilitzen en la indústria delspolímers, colorants, productes químics de gran puresa i productes farmacèutics.

Per a produccions elevades, resulta més rendible la utilització de reactors encontinu, CSTR o reactors de flux pistó (PFR). Passar a un sistema d’aquest tipuspot arribar a ser una altra font d’estalvi energètic.

COLUMNES DE DESTIL·LACIÓ

La destil·lació consisteix en una operació de separació dels components d'unamescla en funció de la seva diferent volatilitat.

En la destil·lació simple, els vapors resultants de l'ebullició d'una mescla líquida, escondensen per obtenir un líquid més ric en els components volàtils que el líquid


21/93

II - 8

inicial. En les columnes de destil·lació convencionals té lloc una separació peretapes on teòricament cada etapa equival a una destil·lació simple.

Figura 1.2: Esquema d'una columna de destil·lació convencional

L'esquema d'un equip convencional de destil·lació en continu amb tots els seus

controls es mostra a la figura 1.2. El corrent 1, generalment líquid, alimenta lacolumna, i en el seu interior, té lloc un contacte entre la fase líquida descendent i lafase vapor ascendent, produïda en el bullidor del fons de l'aparell, de manera que lafase més rica en component volàtil surt pel cap de columna, mentre que la mésempobrida, surt per fons de columna.

Es considera com a consum directe d'energia, la calor comunicada al bullidor. Amés, també s'hauria de tenir present l'aportament energètic sobre els equipscomplementaris, com les bombes, tot i que es pot considerar menyspreablecomparat amb la necessitat energètica del bullidor de la columna.

Per a la realització de l'anàlisi energètic caldrà adquirir dades com els cabalsd'entrada i sortida de la columna amb les corresponents proporcions delscomponents, temperatures d'entrada i sortida, entalpies i capacitats calorífiquesdels diferents components.

Es distingeixen dos tipus de millora energètica: (1) les que no suposen modificacióde l'equip i (2) les que precisen una modificació de la instal·lació.

(1) Sense modificació d'equip


22/93

II - 9

Les millores que permeten un estalvi energètic en destil·lació, sense canviarl'equip, són les que afecten directament a la reducció del calor que s'ha desubministrar al bullidor i es resumeixen a continuació:

1.1) Reducció de la relació de reflux

El corrent de reflux a la columna (corrent 5), és el que assegura unacomposició determinada del destil·lat. Si es vol augmentar la riquesa d'uncomponent volàtil del destil·lat només cal augmentar la relació de reflux.

Si es vol mantenir una producció de destil·lat i augmentar al mateix temps elreflux, l'única manera d'aconseguir-ho és augmentar el cabal intern de vapor ala columna i per tant el cabal de vapor al bullidor.

Acció a emprendre: Disminuir progressivament el reflux fins al límit del'especificació de producte.

1.2) Disminució de la pressió d'operació

Si es disminueix la pressió d'operació, millora la capacitat de separació delsistema i en conseqüència podrà reduir-se la relació de reflux per poderobtenir una composició equivalent del destil·lat.

Acció a emprendre: Disminuir la pressió a petits intervals (p. ex., 0.1 ó 0.2bar), observant com augmenta la composició dels components més volàtils en

el destil·lat, i després disminuir el reflux com a l'apartat anterior.Atenció!! Si s'està operant en el límit de capacitat de la columna, ladisminució de pressió pot provocar la inundació d'aquesta.

1.3) Operació a pressió flotant

En equips de gran capacitat que treballen en continu és útil treballar amb elque s'anomena operació a pressió flotant.

Tal com s'ha comentat en el punt anterior, convé treballar a la pressió més

baixa possible, sempre que la columna no corri el risc d'inundació i que latemperatura de cap de columna faci possible la condensació dels vapors ambaigua de refrigeració.

La temperatura de l'aigua de refrigeració varia amb l'estació de l'any, i enalguns llocs hi ha diferències de temperatura importants entre el dia i la nit. Elsistema d'operació a pressió flotant consisteix en ajustar la pressió d'operacióen funció de la temperatura del fluid refrigerant, de forma que a l'estiu s'hauriade treballar a pressions més altes que a l'hivern per poder mantenir un mínimde diferència de temperatura en el condensador. Per aquest mètode es podria

obtenir a l'hivern un estalvi d'energia respecte a l'estiu, pel fet de podertreballar a pressió inferior.


23/93

II - 10

1.4) Posició de l'alimentació

Quan la columna permet efectuar l'alimentació a diferents altures, ésimportant determinar a quin plat s'introdueix el producte a destil·lar.

Generalment, quan l'alimentació és relativament pobre en el component arecuperar en el cap de columna és més convenient plats superiors. És útil enaquest cas poder disposar d'un simulador de procés que orienti la posicióoportuna per a l'alimentació.

(2) Amb modificació d'equip

Una manera de millorar la capacitat de separació de la columna consisteix enla modificació dels elements interns de la columna per augmentar el nombre

d'etapes teòriques de separació. Això s'aconsegueix de diferents maneres:

2.1) En les columnes de rebliment no estructurat, consistents en unapilament d'anells o altres formes que faciliten el contacte gas-líquid, potobtenir-se una millora de la capacitat de separació modificant la distribucióinterna de líquid o fins i tot canviant el tipus de rebliment.

2.2) En les columnes de plats, pot modificar-se l'estructura d'aquests perpermetre un millor contacte gas-líquid.

2.3) Substitució dels plats per rebliment estructurat, el qual augmenta lacapacitat de separació per a la mateixa alçada de columna.

Figura 1.3: Esquema d'una columna de destil·lació amb alimentació en paral·lel


24/93

II - 11

Figura 1.4: Esquema d'una columna de destil·lació amb alimentació en cascada

2.4) Utilització de configuracions alternatives. Existeixen esquemesalternatius al disseny convencional de columnes de destil·lació que suposenun estalvi d'energia important. A continuació es mostren els tres mésimportants:

- Alimentació en paral·lel (figura 1.3). L'alimentació es divideix en dues partsque alimenten respectivament dues columnes que treballen a pressionsdiferents. L'estalvi d'energia rau en què els vapors de la columna de més

pressió condensen en el bullidor de la de pressió inferior, d'aquesta manerael consum d'energia es pot reduir aproximadament a la meitat. Lacontrapartida és que cal una columna i un bullidor addicionals.

- Columnes en cascada (figura 1.4). L'alimentació és única, però el destil·latde la columna de pressió superior alimenta a la de pressió inferior.

- Recompressió de vapor (figura 1.5). Els vapors de cap de columna escomprimeixen en un compressor i es condensen en el bullidor de lacolumna, una part del líquid condensat torna a la columna com a reflux i laresta constitueix el destil·lat.

L'estalvi d'energia que s'obté per aquest procediment és dràstic, perònomés és rendible en instal·lacions grans on l'estalvi justifiqui les despesespròpies d'una inversió addicional (compressor, bullidor de posta en marxa).Com a referència, la instal·lació d'un sistema de recompressió de vapor enuna columna que separa 15 Tm/h d'una mescla etilbenzè/xilè permet unestalvi del 96% del vapor sobre un consum de 32 Tm/h i un estalvi d'aiguadel 85% sobre un consum de 1.300 m3/h. El consum elèctric seria de 2.300kW i el temps de retorn de la inversió de 2,3 anys.


25/93

II - 12

Figura 1.5: Esquema d'una columna de destil·lació amb recompressió de vapor

SEPARADORS FLASH

En aquests equips, es produeix l’expansió d'una mescla líquida a través d'unavàlvula, amb la consegüent evaporació de part dels components de la mescla enfunció de la seva volatilitat relativa. En la seva forma més comuna, les fases líquidai vapor es separen en el sí d'un recipient anomenat pròpiament Flash.

L'avantatge principal d'aquesta operació consisteix rau en la simplicitat de l’equip.L'esquema d’un separador Flash es mostra a la figura 1.6.

Figura 1.6: Esquema d'un separador Flash


26/93

II - 13

Aquesta operació tant pot servir per realitzar una primera concentració d'unadissolució, per exemple abans d'un altre procés de concentració en un sistemad'evaporadors, com per a una separació prèvia de components d'una mesclalíquida, abans d'entrar en un equip de destil·lació.

El corrent d'alimentació s'expandeix a través de la corresponent vàlvula i seseparen un corrent vapor 2 i un corrent líquid 3. Si l'aparell disposa de bullidor,aquest és alimentat normalment amb vapor (corrent 4). La fracció vaporitzada ésfunció de l'aportament calorífic al sistema que s'aconsegueix incrementant l'entalpiade l'alimentació o comunicant directament calor al recipient.

Com a consum directe de calor es considera el comunicat al corrent d'alimentació oal recipient Flash. Si l'entalpia d'alimentació és suficient l'operació pot realitzar-sesense un consum directe d'energia.

A l'hora d'analitzar l'eficiència energètica del procés caldrà tenir en compte elsaspectes següents:

- La fracció vaporitzada augmenta amb l'entalpia de l'alimentació. Cal doncsprocurar maximitzar aquesta, preescalfant-la amb altres corrents de procés.

- La fracció vaporitzada augmenta en disminuir la pressió d'operació del Flash.Serà interessant procurar disminuir aquesta tot el que es pugui.

- Si els corrents 2 i 3 de sortida del flash van a altres unitats, contribuiran

òbviament al balanç d'energia dels respectius sistemes de destí. Si són correntsterminals caldrà maximitzar el seu aprofitament tèrmic.

Per la seva senzillesa, aquesta operació s'utilitza com a fase prèvia a un procés dedestil·lació o concentració, ja que el propi contingut entàlpic de l'alimentació éssuficient, de vegades, per a realitzar una separació significativa de la mescla sensenecessitat d'aportamentació de vapor i sense necessitat de condensador.

PROCESSOS D’ABSORCIÓ / STRIPPING

L'operació de desabsorció, també anomenada stripping , consisteix en la separaciód'un solut gas o líquid d'una dissolució mitjançant un corrent de gas o vapor encontracorrent. És l'operació inversa a l'absorció (d’un gas amb un corrent de líquid),i l'equip industrial utilitzat també és molt similar. Tal com es mostra en la figura 1.7,en ambdós equips el líquid s'alimenta pel cap de columna, circula en contracorrentamb el gas o vapor i surt per el fons de l'equip. El gas entra a la columna per la partlateral inferior i surt per l'extrem superior.

Per les seves implicacions energètiques, l'equip que es considerarà preferentment

és el stripper de vapor, ja que, igual que les columnes de destil·lació, són unitatsque consumeixen normalment energia de nivell tèrmic significatiu (vapor de baixa


27/93

II - 14

pressió) per a cedir-lo a un nivell de difícil recuperació. L'operació de stripping ,complementa sovint un equip d'absorció, en la forma indicada en la figura 1.7. Enl'absorbidor, un corrent d'aigua absorbeix a pressió elevada i temperatura baixa elsolut d'un corrent de gas, de forma que pel fons de la columna s'obté una dissolució

diluïda de producte. Aquest corrent prèviament preescalfat s'alimenta al stripper , ona pressió més baixa i temperatura alta es desabsorbeix el producte per l'acció delvapor en contracorrent. Pel cap de la columna s'obté una dissolució concentrada desolut.

Figura 1.7: Esquema d'una columna d’absorció / stripping

Es considera com consum energètic directe el de vapor que s'alimenta a lacolumna. Una quantitat aproximadament equivalent d'aquest calor és eliminada enel condensador a través de l'aigua de refrigeració. Cal tenir en compte els consumselèctrics de les bombes i compressors atribuïts a la part de procés considerada.

Des del punt de vista d'estalvi energètic, cal tenir en compte els aspectes següents:

(1) El corrent d'aigua de sortida del stripper , té un contingut entàlpic importantque mereix ser aprofitat. L'aplicació típica és refredar-la preescalfant el correntd'entrada a la columna o altres corrents de procés. Una alternativa és la sevautilització com a font calenta d'una bomba de calor.

(2) Si el corrent de vapor de cap ha d'alimentar una columna de destil·lacióposterior, cal pensar si es pot en alimentar directament la columna en fasevapor sense condensar prèviament.

(3) Per millorar la separació, interessa una pressió d'operació al stripper el més

baixa possible. Cal tenir en compte, però, que la disminució de pressió potsuposar la inundació de la columna.


28/93

II - 15

(4) La temperatura del corrent d'alimentació al stripper ha de ser el més altapossible per evitar consumir part del vapor en incrementar la sevatemperatura fins a les condicions de saturació.

XARXES D’AIRE COMPRIMIT

L'aire comprimit que normalment s'utilitza a la indústria es troba generalment entres nivells de pressió. Així es pot emprar aire als voltants de 3 bar de pressió entreballs de pintura a pistola, manxes etc., aire a uns 8 bar per a treballs de laindústria en general i aire a 15 bar per treballs molt específics. La temperatura aque normalment s'utilitza aquest aire és la temperatura ambient.

La producció d'aire comprimit comporta varies etapes en sèrie tal com es pot veure

a l'esquema de la figura 1.8. En primer lloc és necessària una filtració de l'aired'entrada per tal d'eliminar la majoria de sòlids en suspensió que arrossega l'aire i acontinuació es realitza la compressió de l'aire fins a la pressió desitjada amb uncompressor. Es refreda l'aire comprimit a fi d'eliminar la calor generada en elcompressor i finalment s’asseca l'aire comprimit per tal d'evitar que aquest surtisaturat amb vapor d'aigua i condensi en els punts de consum.

Figura 1.8: Esquema d'un equip d'aire a pressió

Una etapa addicional que cal tenir en compte si es realitza l'assecat per adsorció ésla regeneració del sòlid adsorbent, és a dir, l'eliminació de l'aigua retinguda en elsòlid. Aquesta etapa es duu a terme fent circular aire sec i/o calent en sentit contraria l'aire principal.

Els punts de consum d'energia més importants són el compressor i, eventualment,el generador d'aire per regenerar l'adsorbent.


29/93

II - 16

Per estalviar al escalfar l'aire per regenerar l'adsorbent, una solució és expansionarpart de l'aire produït, reduint així la seva humitat relativa, i fer-lo circular pel mòduld'adsorbidor en fase de regeneració. Es perd així capacitat de producció d'aire peròs'estalvia l'energia de calefacció d'aire i la instal·lació corresponent.

La quantitat més important d'energia que es consumeix és al compressor. Caldràdoncs comprimir l'aire al nivell de pressió mínim necessari per a les funcions quetingui assignades, ajustant correctament el pressostat corresponent.

PRODUCCIÓ DE BUIT. EJECTORS DE VAPOR

El concepte de buit en enginyeria química es refereix a aquelles àrees o processosen els quals la pressió de treball és inferior a la pressió atmosfèrica, és a dir, menys

de 760 mmHg. Per tal de sistematitzar l’estudi i la producció d’aquests ambients esdefineixen diversos graus de buit atenent a la pressió total (Taula 1.1.).

Taula 1.1: Tipus de buit

DenominacióLímit superior

(mmHg)Límit inferior

(mmHg)

Buit baix 760 50Buit mitjà 50 2.5E-03

Buit alt 2.5E-03 1E-06

Buit molt alt 1E-06 1E-09

Buit ultra alt 1E-09 1E-12

Les condicions de buit molt rigorós solament s’utilitzen en estudis científics i peractivitats molt concretes, mentre que a la indústria química les condicions de buitque s’utilitzen normalment arriben fins a 1 mmHg de pressió.

L'equipament normalment emprat per assolir els diversos graus de buit es mostrena la taula 1.2.

A la indústria química els equipaments que normalment s’utilitzen per produir buitsón els ejectors de vapor, degut al relativament baix grau de buit requerit i a quepoden traficar amb cabals elevats, alhora que comporten uns costos d’instal·lació ide manteniment baixos. Els equipaments de buit alternatius als ejectors són lesbombes d’anell líquid i les bombes de pistó, en aquells casos que no es disposi de

xarxa de vapor o que el cabal de gas a evacuar sigui petit.


30/93

II - 17

Figura 1.9: Model d’ejector

Taula 1.2: Equipament de producció de buit (no s’inclouen aquells sistemes peraconseguir buits sempre inferiors a 0.1 mmHg)

Equipament Límit superior(mm Hg)

Límit inferior(mm Hg)

Soplant centrífuga 760 200

Ejector de vapor (una etapa) 760 100

Bomba d’anell líquid (aigua) 760 20

Bomba d’anell líquid (oli) 760 10

Bomba de pistó (una etapa) 760 10

Ejector de vapor (dues etapes) 760 10

Bomba de pistó (dues etapes) 760 1

Ejector de vapor (tres etapes) 760 1

Ejector de vapor (quatre etapes) 760 0.5Ejector de vapor (cinc etapes) 760 0.08

Bomba de pistó rotatiu (una etapa) 760 10-2

Bomba de pistó rotatiu (dues etapes) 760 10-3

Un ejector de vapor és un aparell que consisteix en un estrenyiment en forma detub de Venturi on s’injecta vapor d’aigua a alta pressió per la capçalera (veurefigura 1.9). Aquest vapor s’accelera en passar per l’estrenyiment i llavors es


31/93

II - 18

produeix una baixada de pressió a la càmara de succió respecte a la descàrrega del’ejector.

Per tal d’assolir pressions més baixes de les que es poden obtenir amb un sol

ejector, es pot dissenyar un sistema d’ejectors en més d’una etapa, de tal maneraque la descàrrega del primer ejector estigui connectada a la succió del segon i aixísuccessivament (veure figura 1.10). En aquest cas, és convenient que en aquellspunts on sigui possible s’instal·lin condensadors intermedis a fi de reduir el cabaltotal d’aspiració a les etapes finals i a fi de condensar aquells vapors de procés queno siguin convenients d'expulsar a l’atmosfera.

Figura 1.10: Esquema d’un sistema de producció de buit per ejectors de vapor entres etapes amb una etapa de refrigeració intermitja

Com a consum directe d'energia cal considerar la quantitat de vapor necessària perproduir el buit. El segon punt de consum energètic són els possibles condensadors

intermedis que es poden instal·lar entre dues etapes d'ejecció.

Limitacions

Per poder aplicar amb èxit les bones pràctiques, cal en molts casos un canvid’actitud. Aquest canvi implica abandonar una posició de certa comoditat iacceptació d’uns processos que “sempre s’han fet així”, i adquirir-ne una altra,d’anàlisi constant, que es qüestioni en cada etapa del procés “per què les coses es

fan així?”. El fet de preguntar-se per què s’utilitza una determinada tecnologia o perquè aquesta operació es sempre després d’aquella altra, etc., ajuda a conèixer en


32/93

II - 19

profunditat els propis processos, replantejar-se’ls, millorar la seva eficàcia i, enocasions, condueix a la implantació de noves tecnologies, etc., que permetin reduirel consum energètic, la contaminació generada i millorar la qualitat dels productes.

És important que el canvi d’actitud involucri tot el personal de l’empresa, des del’operari a peu de màquina fins als directius, fent-los partícips dels resultats assolits.

Bibliografia

- McCabe, W. y Smith J., “Operaciones básicas de ingeniería química”, EditorialReverté, S. A., Vol 1, pp. - , 1981.

- Incropera, F. y Dewitt, D., “Introduction to heat transfer”, Third edition, pp 544-

580, 1996.

- J.M.Coulson, J.F.Richardson, R.K.Sinnot, "Chemical Engineering", PergamonPress, 1983.

- E E. Ludwig, "Applied Project Management for the Process Industries", GulfPublishing Company, 1974.

- Fogler, H. Scott, “Elements of chemical reaction engineering”, 2na edició,Englewood Cliffs (N.J.) Prentice Hall cop. 1992.


33/93

II - 20

2) PROCESSOS D’EVAPORACIÓ. EVAPORADOR MULTIEFECTE


L’objectiu de l’evaporació és concentrar una solució que consta d’un solut no volàtili un dissolvent volàtil (aigua a la majoria de casos), mitjançant la vaporització d’unapart del dissolvent.

És un procés molt utilitzat a la indústria de processos degut a la seva àmplia utilitati versatilitat. Algunes de les seves aplicacions es troben, per exemple, a la indústriaalimentària (elaboració de sucs i concentrat de fruites...), a la indústria química, perconcentrar solucions aquoses (sosa, àcid sulfúric, potassa...), solucionsfarmacèutiques (sèrum), aigües residuals a la indústria paperera, etc.

L’evaporació es diferencia de l’assecat en què el producte resultant és un líquid – avegades molt viscós – en comptes d’un sòlid; de la destil·lació en què el vapor ésgeneralment un component, o, encara que sigui una mescla, no es pretén separarel vapor en fraccions; de la cristal·lització en què l’interès es centra en concentraruna solució i no en la formació i creixement de cristalls.

Generalment, el líquid concentrat és el producte més valuós mentre que el vapor escondensa i es rebutja. Tot i això, en algun cas pot succeir el contrari, com enl’evaporació d’aigua amb contingut de sals per obtenir un producte lliure de sòlidsper alimentar calderes, o per processos o consums especials.

Els processos d’evaporació, per definició, consumeixen quantitats relativamentgrans d’energia. Per reduir els requeriments energètics existeixen diversesestratègies generals:

- El consum de vapor de calefacció disminueix amb l'increment de l'entalpia del'alimentació. Caldrà doncs maximitzar aquesta, preescalfant l’alimentació ambaltres corrents de procés, com poden ser els mateixos vapors evaporats o elscorrents ja concentrats.

- Normalment un evaporador sol utilitzar vapor de baixa pressió, però aquest pot

ser substituït per gasos de combustió, els quals, en molts casos, es llencendirectament a l'atmosfera.

- L'entalpia de vaporització i la temperatura d’ebullició disminueixen amb la pressiód'operació, pel que l’evaporació es facilita a pressions baixes.

- A banda d’aquestes estratègies generals, la tecnologia avançada que esproposa en aquest informe és la utilització d’evaporadors multiefecte.


34/93

II - 21

Figura 2.1: Evaporador d’efecte simple

Figura 2.2: Evaporador multiefecte

Quan s’utilitza un sol evaporador (evaporació en efecte simple), el vapor procedentde l’ebullició del líquid es condensa y es rebutja. Un esquema típic d'aquest procéses mostra a la figura 2.1. En aquests evaporadors, el consum de calor és elcomunicat pel vapor de calefacció a la solució a concentrar.

Un evaporador multiefecte és un conjunt d’evaporadors simples connectats quetreballen a diferents pressions. Cada unitat d'evaporació s'anomena efecte, deforma que un evaporador de doble efecte estarà format per dos evaporadorsconnectats entre sí. En les seves configuracions més habituals, l'alimentació entraen un dels efectes, i va passant successivament d'un evaporador a l'altre

augmentant en cada pas la concentració de solut. Un esquema típic d'aquestprocés és el que es mostra a la figura 2.2.


35/93

II - 22

El consum directe d'energia en evaporadors multiefecte prové principalment dedues fonts:

- El vapor comunicat en el primer efecte. En línies generals, es pot dir que el

consum de vapor en els bullidors d'una bateria d'evaporadors de n efectes és del'ordre de n vegades inferior al consum que tindria l'evaporador d'un sol efecte.

- Per una altra banda, hi ha el consum propi dels ejectors, en cas de que s'utilitziaquest equip per produir el buit.

Aquesta configuració permet significatius estalvis energètics.

Principi físic

Els evaporadors multiefecte es basen en el fet que la temperatura d’ebulliciódisminueix a mesura que baixa la pressió d’operació. Per tant, es pot aprofitar eldissolvent evaporat en un efecte a una pressió (temperatura) determinada perevaporar més dissolvent en l’efecte següent, que opera a una pressió (temperatura)menor.

Principi tecnològic

En general, l'evaporació es pot realitzar per aportament de calor, per proporcionarl’entalpia necessària per evaporar el dissolvent, o de forma adiabàtica en unrecipient al buit, per reduir la temperatura d’ebullició. Aquesta segona opció sovintés insuficient, pel que es sol utilitzar una solució intermèdia.

Les solucions a evaporar poden tenir diferents característiques: punt d'ebullicióelevat, tendència a formar escuma, ser sensibles a la temperatura, viscositatelevada, tendència a embrutar les parets del tub o dipositar sals que poden sercorrosives. Per tant, això implica la utilització d’una gran varietat d'equips que sónespecíficament adaptats a les necessitats particulars.

Normalment, però, els evaporadors consten d'un feix tubular i una virola. La solucióa tractar passa per l'interior dels tubs i el vapor de calefacció condensa a lacarcassa. Generalment s’utilitza vapor d’aigua a baixa pressió, inferior a 3 kg/cm2, iel líquid bull a un buit moderat, superior a 70 mmHg. Al disminuir la temperaturaentre vapor condensat i el líquid que bull, augmenta la velocitat de transmissió decalor en l’evaporador.

Un factor important és la disposició dels corrents d'alimentació. Es distingeixenprincipalment tres formes d'alimentar un equip d'evaporació multiefecte.

1) Alimentació directa o en paral·lel


36/93

II - 23

En alimentació directa o en paral·lel, la dissolució a evaporar s'alimenta al'efecte de més pressió i posteriorment, per diferència de pressió, la dissolucióconcentrada que surt de cada efecte alimenta al següent.

Des del punt de vista energètic, en aquest cas s'estalvia el consum elèctric i lainversió que suposen les bombes de circulació d'un efecte a l'altre.

En aquesta disposició, en l'últim evaporador de la sèrie trobem la dissoluciómés concentrada, amb una elevada temperatura d'ebullició, la qual ha de serescalfada amb el corrent de vapor de més baixa pressió i temperatura. Caldràdoncs vigilar que el gradient de temperatura sigui suficient. Aquest inconvenientes pot pal·liar amb les altres disposicions.

2) Alimentació en contracorrent

Respecte a la disposició d’alimentació anterior, en aquesta es mantenen elsgradients de temperatura vapor-dissolució molt més constants, però calinstal·lar una bomba per fer circular la dissolució d'un efecte a l'altre.

Aquesta disposició serà útil quan es vulguin evaporar dissolucions d'alt puntd'ebullició utilitzant vapor de relativa baixa pressió.

3) Alimentació mixta

És una solució intermèdia entre les dues disposicions anteriors, que permet un

estalvi d'energia de bombeig sense tenir un gradient massa baix detemperatura en l'efecte de pressió més baixa.

Criteris d’aplicació

Des d’un punt de vista d’eficiència energètica, l’ús d’evaporadors multiefectesempre és millor que l’ús d’evaporadors simples.

Òbviament aquest estalvi s'ha d'equilibrar amb la inversió addicional que suposa

l'increment del nombre d'evaporadors. Aquest equilibri es troba, en general, alvoltant de tres unitats (triple efecte) però cal fer el càlcul corresponent per trobar ladisposició òptima en cada cas. Amb l'ajut d'un simulador de procés es podenestudiar diferents configuracions de l’alimentació i l'escalat de pressions, i escollirl'opció econòmicament més rendible.

Avantatges


37/93

II - 24

En general, els processos d’evaporació poden presentar una elevada eficiènciaenergètica sempre que s’aprofitin els vapors generats a l’evaporador, el que potaconseguir-se de diverses maneres:

- En el cas que en el procés sigui necessària una font freda, els vapors generats al'evaporador són ideals per a la producció de fred per un cicle d'absorció.

- Reutilització dels vapors com a vapor de calefacció, després d'una recompressió.S'utilitzen dos mètodes:

i) Utilització d'ejectors de vapor.

ii) Utilització de compressors mecànics, que augmenten la pressió dels vapors.Es produeix per una part un condensat que s'evacua, i per l'altra vapors demés nivell energètic que són reutilitzables per a calefacció.

- En els evaporadors d'efecte múltiple, la reutilització dels vapors es produeix peral propi procés d’evaporació, reduint els requeriments de vapor de calefacció enels evaporadors que operen a pressió més reduïda.

L'avantatge principal que presenten els evaporadors multiefecte, per tant, ésl'economia del sistema d’evaporació, determinada pel nombre d’efectes. Mitjançantun disseny adequat l’entalpia de vapor viu que arriba al primer efecte es pot utilitzaruna o més vegades, en funció del número d’efectes de què consta l’evaporador.

Limitacions

Existeixen algunes limitacions i dificultats generals en l’ús de processosd’evaporació, com poden ser:

- Formació d’escuma: alguns materials, especialment substàncies orgàniques,formen escuma durant la vaporització. Amb el vapor surt de l’evaporador unaescuma estable que pot originar arrossegament de producte.

- Sensibilitat a la temperatura: molts productes químics com els medicaments esfan malbé quan s’escalfen a temperatures moderades durant espais de tempsrelativament curts, pel que és precís utilitzar tècniques especials per reduir latemperatura del líquid i el temps d’escalfament.

- Embrutiment de les parets del tub: algunes solucions embruten les superfíciesdels tubs, provocant una disminució del coeficient global fins a que es fanecessari parar l’evaporador i netejar el tubs.

Si la quantitat d'energia necessària per a la utilització d'un sistema d'evaporadorsés massa elevada, o per al tipus de solut particular aquesta no és adequada, es


38/93

II - 25

poden utilitzar operacions alternatives, com poden ser les operacions de separacióper membrana (filtració tangencial, òsmosi inversa).

En qualsevol cas, si els processos d’evaporació són acceptables, la principal

limitació a l’ús d’evaporadors multiefecte vindrà donada pel major cost d’inversióque suposa respecte a un evaporador simple.

Bibliografia

- McCabe, W. y Smith J., “Operaciones básicas de ingeniería química”, EditorialReverté, S. A., Vol 1, pp. - , 1981.

- Incropera, F. y Dewitt, D., “Introduction to heat transfer”, Third edition, pp 544-

580, 1996.

- Guerrero, H., “Problemario de Termodinámica II y III”, Universidad SimónBolívar, 5° Edición, Julio 1997.

- Mezone, G., “Construcción del diagrama entalpía-concentración para el sistemabinario Glicerol-Agua”, Miniproyecto de Ingeniería Química, Departamento deTermodinámica y Fenómenos de Transferencia, Universidad Simón Bolívar,2001.

- Kern, D. Q., “Process Heat Transfer”, McGraw-Hill, NewYork, NY, pp. 401-403(1950).

- Perry, R. H., C. H. Chilton, and S.D.Kirkpatrick, “Chemical Engineer’sHandbook”, 4th Ed., McGraw-Hill, New York, NY, pp. 11-24 to 11-29 (1963).

- Badger, W.L., “Introduction to Chemical Engineering”, McGraw-Hill, New York,NY, p. 174 (1955).

- Hyde, W.L., and W.B.Glover, “Evaporation of Difficult Product, “ChemicalProcessing, 60 (2), pp. 59-61 (Feb. 1997).

- Freeze, H. L., and W. B. Glover, “Mechanically Agitated Thin-Film Evaporators”,Chem. Eng. Progress, 75 (1), pp. 52-58 (Jan 1979).


39/93

II - 26

b) Anàlisi de viabilitat per a una proposta concreta

Dades de partida

Considerem un sistema d’evaporació de triple efecte com el representat a la figura2.3. En aquest sistema, l’alimentació és en paral·lel. Només s’utilitza vapor viu alprimer efecte, i utilitat de fred per condensar els vapors de l’últim efecte.

Figura 2.3: Evaporació per triple efecte

Avaluació tècnica dels estalvis energètics i altres estalvis

Com ja s’ha explicat, l’energia utilitzada al primer efecte (normalment en forma devapor) es reutilitza una vegada i una altra en els successius efectes, pel quel’estalvi energètic és aproximadament proporcional al nombre d’efectes. En elnostre cas, el consum energètic en forma de vapor és aproximadament la tercerapart del necessari per evaporar la mateixa quantitat d’aigua amb un efecte simple.

A més, també es redueixen els requeriments de fred per condensar el vapor del’últim efecte, ja que el cabal de vapors de l’últim efecte és la tercera part dels quetindríem en un evaporador simple.

En la realitat, però, degut a petites diferències en l’entalpia de vaporització enfunció de la pressió, i a la necessitat d’utilitzar buit, l’estalvi no és exactamentproporcional. A la taula 2.1. es mostren els requeriments energètics d’una

instal·lació d’evaporació en funció del nombre d’efectes, així com la disminució de


40/93

II - 27

costos d’operació aconseguida pels evaporadors multiefecte en relació alsevaporadors d’efecte simple.

Taula 2.1: Comparació dels costos i requeriments en evaporació simple i multiefecte.

Nombre d’efectes

Consum vapor(kg vapor/kg aigua

evaporada)

Costos operatius(relatius a efecte simple)

1 1.1 1

2 0.57 0.52

3 0.40 0.37

Avaluació econòmica

L’estalvi energètic i de costos d’operació anteriors tenen com a contrapartidal’augment d’àrea d’intercanvi necessària, que també és aproximadamentproporcional al nombre d’efectes. El cost de capital invertit en la caldera i en elcondensador final, però, és més petit que en el cas d’un evaporador simple.

Així doncs, el fet que els estalvis en els costos operatius siguin quasi proporcionalsal nombre d’efectes, i el cost de la inversió també, fa que el període de retorn d’unainstal·lació d’efecte múltiple sigui aproximadament el mateix que el d’una instal·lacióamb efecte simple. Un cop la inversió hagi estat recuperada, el benefici de lainstal·lació multiefecte és molt important. Per aquest motiu, en els casosd’instal·lacions noves, és aconsellable d’ús d’evaporadors multiefecte en frontevaporadors simples.

Un altre aspecte econòmic a considerar és la modularitat de la instal·lació, que

permet augmentar la producció amb un baix cost d’inversió i sense despesesd’operació addicionals. Per exemple, considerem un procés amb un doble efecteque produeix 5000 L/dia de destil·lat. En el futur, la producció es pot ampliarinstal·lant un tercer mòdul o efecte per donar una producció total d’uns 7500 L/dia,és a dir, un 50% més de producció sense major cost energètic i amb un costd’inversió relativament baix (només s’ha d’instal·lar un altre evaporador igual alsdos disponibles en aquell moment).


41/93

II - 28

3) PROCESSOS DE SEPARACIÓ PER MEMBRANES


Els processos de separació continuen representant un paper fonamental dins de laindústria del procés químic ja que són utilitzats en totes les etapes de producció ipoden representar fins al 90% dels costos d’inversió i operació.

De manera molt simplificada es pot afirmar que una membrana és una barrerafísica (no necessàriament sòlida) que provoca, o si més no ajuda, a la separaciódels components d’una mescla.

En un futur se serà capaç de dissenyar membranes fetes a la carta per a laseparació d'un compost específic. A més, a diferència de la destil·lació, utilitzen

l'energia d'una manera molt eficient ja que, en la majoria dels casos, noméss'utilitza per fer circular el fluid i proporcionar-li pressió. És pot preveure que lesmembranes substituiran eficaçment la destil·lació en un futur. Només la falta deselectivitat de les membranes, la pobre resistència mecànica en alguns casos i elsfluxos de permeat insuficients ho han impedit fins al moment.

Les separacions amb membranes més utilitzades són aquelles on la forçaimpulsora és la diferència de pressió i que tracten mescles líquides de les quals sesepara un solut(s) determinat(s). El nom que pren l’operació depèn de la grandàriadels soluts que es retenen i, tot i que semblen processos semblats, moltes vegades

impliquen mecanismes completament diferents. En aquest grup pertanyen elsprocessos de:

- Microfiltració

- Ultrafiltració

- Nanofiltració

- Osmosi inversa

La figura 3.1 presenta els diferents tipus d’operació així com el rang de grandàriamolecular de les espècies que són capaces de separar cadascuna d’elles.

Les operacions de separació amb membranes també inclouen tots aquellsprocessos on la membrana és la responsable de la separació selectiva delscompostos, tot i que els mecanismes implicats no es poden assimilar a un tamisat.Entre aquestes operacions cal indicar els processos de:

- Diàlisi i electrodiàlisi

- Pervaporació


42/93

II - 29

- Permeació de gasos

- Membranes líquides

Figura 3.1: Denominació de l’operació en funció de la grandària del solut/partícula

Hi ha operacions on la membrana no és la responsable directa de la separació peròhi participa activament, per exemple per separar les fases diferents, com en elsprocessos de:

- Extracció amb membrana

- Destil·lació amb membrana

- Destil·lació osmòtica

Finalment, hi ha situacions on la membrana no participa tan sols en l’etapa deseparació sinó que està integrada en l’etapa de reacció. En aquests casos, lamembrana pot utilitzar-se com:

- Integració de separació i reacció

- La membrana com a catalitzador

A continuació és fa una anàlisi més acurada de la tècnica d’osmosi inversa ipervaporació, que són les que més estalvis d’energia suposen.


43/93

II - 30

Principi físic

Osmosi inversa (OI)

La força impulsora de la separació amb aquests tipus de membranes és ladiferència de pressió entre mescles líquides de les quals se separa un solut(s)determinat(s).

La OI no és sinó la inversió del sentit del procés conegut com osmosi. La osmosi ésun procés natural i espontani que es dóna quan dues dissolucions de diferentconcentració estan separades per una membrana semipermeable, això és, deixapassar l'aigua però reté els soluts. En aquesta situació, el dissolvent es transfereixper acció d'una diferència de concentració, de manera que l'aigua (o qualsevol altre

dissolvent) passa de la dissolució diluïda a la concentrada. També es pot dir que elpas d'aigua es déu a la diferència de pressions osmòtiques, Dp, existents a ambdóscostats.

Tal com es representa a la figura 3.2, el procés es pot invertir si s'aplica una pressiómés gran que Dp, aconseguint que l'aigua flueixi des de la dissolució concentrada ala diluïda. Amb aquest sistema es pot eliminar del 90 al 99% dels soluts. Lesmembranes d'OI tenen un diàmetre de porus inferior a 1 nm, de forma querepresenta una barrera infranquejable per la majoria de compostos excepte perl'aigua que, amb un diàmetre aproximat de 0.2 nm, la pot travessar lliurement.

Pervaporació

El mecanisme de la separació es basa en primer lloc en una absorció selectivasobre la superfície de la membrana i una posterior dissolució i difusió a travésd'ella. Això fa que la interacció entre els compostos i el material de la membranacanviï completament l'equilibri termodinàmic entre les fases líquida i vapor.

La pervaporació és l'únic procés de separació basat en membranes on es produeixun canvi de fase quan el permeat travessa la membrana. El mecanisme deseparació és el de solució-difusió i la força motriu és la diferència de pressionsparcials (fugacitats) entre ambdós costats de la membrana. La diferència depressions parcials es pot generar creant buit al costat del permeat, introduint un gasinert o fins i tot creant una diferència de temperatura entre els dos costats de lamembrana. Un esquema típic de pervaporació es mostra a la figura 3.3.


44/93


45/93

II - 32

Principi tecnològic

Osmosi inversa (OI)

Les membranes d'osmosi inversa estan fabricades principalment de CA i PA enconfiguracions d'espiral i fibra buida. Es poden obtenir conversions, cabals depermeat, entre el 15 i el 30% del cabal alimentat i, al mateix temps, mantenir unrebuig major del 95% per a la majoria de les sals. Les pressions de treball depenenfortament de la concentració de la dissolució a tractar però es pot dir que oscil·lenentre 10 i 80 bar. El mecanisme de transport a través de la membrana no estàclarificat del tot però sembla tenir components de flux directa pels porus i de soluciói difusió contínua a través de la membrana.

En l’aplicació de l’osmosi inversa a les plantes desalinitzadores, com es mostra en

la figura 3.4, cal tenir cura de realitzar el pretractament adequat de l'alimentacióper tal d'eliminar matèria en suspensió que pugui taponar les membranes, adequarel pH al rang d'estabilitat de les membranes i eliminar el clor lliure que ataca lesmembranes de PA. Tot i així, l'efecte de compactació degut a la pressió redueix elflux progressivament i l'aparició de defectes en la membrana fa que augmenti lasalinitat del permeat amb el temps. La vida mitjana de les membranes d'OI s'estimaen uns tres anys, període que es pot allargar si el sistema s'opera i mantécorrectament.

Figura 3.4: Planta de producció d’aigua per OI


46/93

II - 33

Pervaporació

Les membranes adequades per a pervaporació són no poroses. Una de les

aplicacions industrials, des de fa anys en funcionament, és la deshidrataciód'etanol. Com és ben conegut, la mescla etanol-aigua presenta un azeòtrop queimpossibilita l'obtenció d'etanol pur per mitjà d'una sola etapa destil·lació.

Per tal d'augmentar-ne la puresa cal afegir una segona columna que operi a pressiódiferent o afegir un tercer component que trenqui l'azeòtrop i que ha de ser separaten una nova etapa.

La pervaporació pot eficientment superar la limitació termodinàmica de l'azeòtrop jaque canvia completament les composicions de líquid i vapor en "pseudoequilibri".Com es pot veure a la figura 3.5, les composicions en equilibri s'inverteixen

completament i permeten una separació molt efectiva de l'aigua. Les dadescorresponen a la utilització d'una membrana de poli(vinil alcohol) (PVA). Aquestpolímer presenta característiques hidrofíliques que la fan altament selectiva alscompostos polars com l'aigua.

Figura 3.5: Composició del permeat front l’alimentació en un procés depervaporació d’una mescla etanol-aigua


47/93

II - 34

Criteris d’aplicació

Osmosi inversa (OI)

L'aplicació més extesa de l'OI és la desalinització d'aigües. Tot i així té una àmpliaaplicabilitat a la indústria alimentària, indústria paperera i tractament d'aigüesresiduals en general.

La llista d'aplicacions particulars podria ser inacabable. Es poden destacar, perexemple, les següents:

- Desmineralització d'aigües de procés

- Desalinització d'aigua de mar o salines

- Producció d'aigua ultrapura per a laboratoris en general i indústria electrònica(fabricació de semiconductors)

- Tractament d'efluents municipals i industrials

- Concentració de substàncies en indústria paperera

- Eliminació d'aigua i concentració de sucs, productes làctics i sucres

- Concentració de cafè, te i sopes instantànies

- Concentració d'aminoàcids i alcaloides

Entre totes les aplicacions destaca la desalinització d'aigua. Actualment l'OI ocupael 90% del mercat de potabilització d'aigua de mar. En poc més d'una dècada, hasubstituït quasi per complet als processos de destil·lació flash multietapa.

Pervaporació

Segurament, des del punt de vista industrial és el procés més atractiu ja que

permet tractar situacions on la destil·lació és inviable ja sigui per motiustermodinàmics o purament econòmics.

Les principals aplicacions de la pervaporació es troben a la:

- Deshidratació de substàncies orgàniques

- Recuperació de compostos orgànics (volàtils) de corrents aquosos a baixaconcentració

- Separació de mescles azeotròpiques


48/93

II - 35

El tipus de membrana utilitzada en cada cas és diferent tot i presentant lacaracterística comuna de ser no porosa.

A nivell de laboratori s'han descrit decenes de sistemes on la deshidratació

mitjançant pervaporació és viable i és sobretot interessant per a mescles amb unbaix contingut d'aigua, situació en la qual les membranes presenten una màximaselectivitat. A la taula 3.1. es llisten una sèrie de compostos orgànics que poden serdeshidratats per pervaporació, tot i que pràcticament qualsevol corresponent aalguna de les famílies orgàniques presentades s'hi podria incloure.

Taula 3.1: Solvents orgànics susceptibles de ser deshidratats per pervaporació

Metanol Alcohol alílic Acetat d'etil Tricloretilè

Etanol Furfurol Butilacetat Tetracloretà

n-Propanol Metilfurfurol Dietil èter Tretrahidrofurà

Isopropanol Dietilenglicol Diisopropil èter Anilina

n-Butanol Acetona Dipropil èter Benzè

t-Butanol Butanona Etil propil èter Toluè

Toluè 2-Pentanol Ciclohexanona Cloroform Xilè

Hexanol Metil etil cetona Clorur de metilè Etilendiamina

Ciclohexanol Metil isobutil cetona Cloretilè Etanolamina Alcohol isoamílic Caprolactama Dicloretilè Dietilamina

Taula 3.2: Estudis de pervaporació de mescles orgàniques realitzades en laboratori

Mescla Membrana Selectivitat

Etilbenzè/xilè Polietilè no disponible

p-xilè/o-xilè Polietilè no disponible

m-xilè/p-xilè Polipropilè m-Xilè

dicloretà/tricloretilè Poliamida/polièter Dicloretà

Benzè/ciclohexà Poliimida Benzè

Acetona/ciclohexà Poliimida Acetona

Es presenta com realment viable per a la recuperació d’hidrocarburs clorats,alcohols, fenol o aromàtics. En cas aquest, es precisa d'una membrana hidrofòbica

que mostri una alta selectivitat pels compostos orgànics. El material més assajat és


49/93

II - 36

el polidimetilsiloxà (PDMS) ja que, a banda de proporcionar bona selectivitat ésmolt estable front a la majoria de compostos orgànics. Altres materials emparentatsamb el PDMS també han estat assajats amb diferent grau d'èxit.

En aquest camp només existeixen plantes pilot en funcionament però estudiseconòmics preliminars mostren la competitivitat del procés. Per exemple, en unaestimació econòmica comparativa de l'eliminació de tricloretilè, el cost de lapervaporació és un 30% menor que els mètodes convencionals de stripping ambaire o adsorció amb carbó actiu.

El camp menys desenvolupat correspon a la separació de mescles orgànicsazeotròpiques ja que, en molts casos, degut a la similitud dels compostos a separarés difícil trobar membranes suficientment selectives. Algunes mescles estudiades anivell només de laboratori es mostren a la taula 3.2.

Figura 3.6: Esquema híbrid de destil·lació extractiva per a la producció de benzè i

ciclohexà purs

Alguns estudis econòmics prospectius sobre la viabilitat de

auditoria energetica informe sector quimic

Documents