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Programa de Movilidad en Educación Superior para América del Norte
Introducción 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 GaudreaultElaborado en:
École Polytechnique de Montréal & Texas A&M University, 2003
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SIMBOLOGÍA
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Tier III:Problema Propuesto-Resuelto
(Open-Ended)
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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.
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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 9.33+0.97+3.83+20.66=34.79 ton/ton de pulpa seca.
Sólo agua líquida entra “directamente” a reciclaje: 0.967+5.92+0.681+20.66= 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 34.79-28.23=6.56 ton (ie reducción del 81%).
Agua consumida por el reactor:
0.113 ton/ton de pulpa seca
Proceso
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Solución – P1 (Cont.)
La gráfica muestra la contribución de cada unidad de proceso al consumo de recursos.
Contribuciones del Proceso – Categorías de Impactos de Entrada
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Consumo de Agua“Cruda”
Consumo de FibraVirgen
Consumo de RecursosNaturales
Consumo de Energía
Relleno
Transportación
Producción Química
Manufactura de Pulpa
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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.
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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
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Calent
amien
to G
lobal
Acidific
ación
Eut
rofic
ación
Met
ales P
esad
os
Susbt
ancia
s Car
cinog
énica
s
Smog
de
Veran
o
Smog
de
Invie
rno
Desec
hos S
ólido
s
Crecimiento
Cosecha
Relleno
Transporte
Producción Química
Manufactura de la Pulpa
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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.
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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.
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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.
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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
Pregunta 2 – Resultados Normalizados - Recursos
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Consumo de Agua “Cruda” Consumo de Fibra Virgen Consumo de RecursosNaturales
Consumo de Energía
Manufactura de Pulpa
Producción Química
Transporte
Cosecha
Total
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.
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Solución - P2 (Cont.)Pregunta 2 – Resultados Normalizados - Recursos - Emisiones
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Calent
amien
to G
lobal
Acidific
ación
Eut
rofic
ación
Met
ales P
easd
os
Substa
ncias
Cra
cinog
énica
s
Smog
de
Veran
o
Smog
Inve
rnal
Desec
hos S
ólido
s
Manufact. De Pulpa
Producción Química
Transporte
Relleno
Cosecha
Crecimiento
Total
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
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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
EnergíaIndicador
0.08 0.76
0.16 0.78
0.32 0.82
0.64 0.90
0.83 0.96
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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
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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
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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.