ESTADO DEL ARTE DE LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA DE PROCESOS

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

Facultad de Ciencias Químicas

Departamento de Ingeniería Química

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ESTADO DEL ARTE DE LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA DE PROCESOS

Diseño integrado de procesos

MÁSTER EN INGENIERÍA QUÍMICA:

INGENIERÍA DE PROCESOS

Daniel Aranda López

Sofía de Pablos Cardiel

Madrid, Febrero 2015

INDICE

INTRODUCCIÓN        

COMIENZOS EN LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA        

ESTADO ACTUAL DE LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA.        

DESAFÍOS Y LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN DE LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUAS        

GLOSARIO        

BIBLIOGRAFÍA        

INTRODUCCIÓN

El agua es un elemento clave en el funcionamiento de la industria química y petroquímica. Se utiliza de forma intensiva en las refinerías y en las industrias de la metalurgia, agrícola y alimentaria, textil, farmacéutica y de componentes electrónicos.

        Existen distintos parámetros para medir la calidad del agua de cara a su descarga: carbono orgánico total (TOC), demanda bioquímica de oxígeno (BOD), demanda química de oxígeno (COD), aceites y grasas (O&G), hidrocarburos de petróleo totales (TPH), sólidos en suspensión totales (TSS), pH, temperatura, color, olor.

        Existen distintas opciones para el tratamiento de aguas. La selección de la tecnología de tratamiento se realiza en función de los tipos de contaminantes y su concentración. En general, los tratamientos de aguas se clasifican en físicos (flotación con aire, coalescencia de aceites, evaporación, filtración,…), químicos (precipitación, coagulación, intercambio iónico,…), térmicos y biológicos. Los procedimientos tradicionales para realizar el diseño de sistemas de tratamiento de aguas económicos se basan en la aplicación de determinadas reglas heurísticas.

        Desde los ochenta ha aparecido un interés creciente en la reutilización de aguas con el objetivo de reducir el consumo global de agua fresca de un proceso. Esta disminución supone un ahorro tanto en pretratamiento del agua fresca como en costes de tratamiento del agua usada previo al vertido [1].

COMIENZOS EN LA SÍNTESIS DE REDES DE AGUA

Hoja de ruta para la mejora de procesos

        Tradicionalmente, el problema de las aguas residuales se ha visto como una serie de operaciones de tratamiento secuenciales de una única corriente de agua residual producto de la unión de las aguas utilizadas en todas la operaciones unitarias. Por otra parte, antes de que apareciese el concepto de reutilización, todas estas operaciones operaban con agua fresca.

        Una forma de mejorar el diseño de estas redes es la reutilización de agua de un proceso para alimentarla a otra operación antes de enviarla a tratamiento, con lo que se reduce el consumo global de agua fresca. El siguiente paso sería la introducción de diseños de las operaciones de tratamiento en serie o en paralelo sin mezclar todas las corrientes de aguas residuales. Adicionalmente, cabría considerar el tratamiento de las corrientes de forma previa a su reutilización (regeneración). Los tratamientos de regeneración presentan la ventaja de no necesitar llevar el agua a las condiciones requeridas por el vertido, dado que para la reutilización es posible utilizar agua con un mayor nivel de contaminantes. Mediante la correcta aplicación de las técnicas de reutilización y regeneración, se consigue una aproximación al concepto de cero vertidos, en el que el agua se utiliza en un circuito cerrado.

        Este objetivo de cero vertidos no se ha alcanzado, ni si quiera en estudios académicos, debido a las limitaciones prácticas que impiden que sea factible. Por una parte, muchas operaciones demandan vapor, es decir, agua fresca con una elevada pureza (calidad de caldera). Además, para lograr estos ciclos sin vertido, se requerirían tratamientos de eliminación de contaminantes exhaustivos, inviables desde un punto de vista económico. Por otra parte, de no incluirse una etapa de evaporación total (elevado coste), se requeriría una corriente de agua fresca de reposición para evitar la acumulación de contaminantes.

        Existen dos herramientas para obtener buenos diseños de estos sistemas:

- Análisis conceptual.

- Programación matemática.

        Los análisis conceptuales presentan limitaciones debido a las dimensiones y a la complejidad del problema, mientras que la programación matemática presenta diversos problemas de implementación debido a la gran cantidad de posibles soluciones, que ocasiona que los algoritmos requieran una gran potencia de cálculo o bien conduzcan a resultados alejados del óptimo.

        Algunos estudios subrayan los beneficios de la combinación de ambas técnicas, utilizando análisis conceptual para la formulación de mejores modelos para la programación matemática (buenos puntos iniciales, reglas heurísticas para mejorar los procesos de “ramificación y poda”1, introducción de condiciones necesarias para considerar un óptimo). Los análisis gráficos permiten al ingeniero incorporar muchos factores que la programación matemática no considera [1].

1. Análisis conceptual. Análisis pinch del agua

Dentro del marco de la integración de materia, la síntesis de redes de agua (conocida como minimización de agua) emerge como un caso especial en esta área.

Se han presentado una cantidad considerable de trabajos para la síntesis de redes de agua utilizando tanto la técnica de análisis Pinch como enfoques de optimización matemática.

El profesor Robin Smith y colaboradores iniciaron la técnica del análisis pinch a mediados de los 90.

A parte de hacer cambios fundamentales en las operaciones de proceso, (como por ejemplo cambiar torres de refrigeración por ventiladores) se deben barajar otras opciones para reducir la demanda de agua de los procesos como por ejemplo la reutilización, reciclado y regeneración. En el contexto de integración de procesos, la reutilización significa mandar el efluente de agua de una operación a otra sin ser devuelto a la misma operación donde se emitió. Por otra parte, un esquema de reciclado permite que el efluente de una operación vuelva a entrar en la misma operación donde se generó. En el esquema de regeneración, el efluente es tratado en una unidad de purificación de agua antes de ser reutilizado o reciclado.

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