"Environmental Diagnosis of Process Plants by Life Cycle Techniques"

by Yrigoyen González, Haydée Andrea

Environmental Diagnosis of Process Plants by Life Cycle Techniques Haydée A. Yrigoyen González El objetivo de la investigación es desarrollar una herramienta que relacione aspectos de simulación, evaluación ambiental y análisis de sensibilidad. Para lo cual se estableció una metodología que consta de cinco niveles: Simulación de proceso, Inventario, evaluación de impactos ambientales, análisis económico y análisis de sensibilidad. La metodología describe las variables relacionadas con el proceso, así como los impactos asociados a cada una de sus etapas y la viabilidad económica del proceso, e identifica las etapas de proceso con el mayor impacto ambiental (mediante el análisis de sensibilidad). Para la simulación de procesos se empleó el simulador ASPEN Hysys®. El inventario, la evaluación de impactos y el análisis económico se lleva a cabo en hojas de cálculo de forma automática. La obtención del inventario de efectos ambientales y la evaluación de los correspondientes impactos se realizan siguiendo la metodología de ciclo de vida, por lo que se consideran las cargas ambientales asociadas a las materias primas, la generación de electricidad y utilidades. Para obtener el inventario se construyó una base de datos que contiene la información ambiental asociada a varios procesos industriales que se relacionan indirectamente al proceso bajo estudio. Similarmente, se incluyó una base de datos con los factores de caracterización de las categorías de impacto más importantes. La validación de la metodología y de la herramienta desarrollada se ha llevado a cabo mediante tres procesos industriales: polietileno de baja densidad (LDPE), óxido de etileno (EO) y biodiesel. Para cada proceso se han evaluado diferentes configuraciones para poder determinar cual de ellas es la mejor opción desde el punto de vista ambiental y económico. En el caso del LDPE, el cambio de configuración se ha enfocado en el origen de la electricidad, la cual puede ser proveniente de la Red Nacional Española o de una unidad de cogeneración. Los resultados indican que la mejor configuración corresponde al proceso que emplea electricidad proveniente de la unidad de cogeneración, puesto que se obtiene vapor como sub-producto y se evitan las emisiones asociadas a la generación de electricidad, lo que se refleja en una importante reducción de los impactos ambientales asociados. En el segundo proceso analizado, referente a la producción de oxido de etileno, se han evaluado cuatro configuraciones, empleando aire u oxígeno como materia prima y electricidad de la Red Española o produciéndola mediante cogeneración. En relación al origen de la electricidad, al emplear la cogeneración, el comportamiento ambiental del proceso mejora considerablemente. En cuanto a la importancia de la materia prima empleada, al utilizar oxígeno se obtiene un mejor rendimiento en la etapa de reacción, con lo cual se compensa los costes asociados a la materia prima con la productividad del proceso. Finalmente, se ha llevado a cabo la evaluación del proceso de producción de biodiesel, se comparó el comportamiento ambiental del proceso empleando un catalizador ácido y un catalizador básico. En el proceso ácido se generan menores impactos ambientales. De forma similar, ésta configuración tiene un mejor perfil económico ya que los costes asociados a la producción son menores y no se requiere ninguna unidad de pretratamiento (necesaria en el proceso alcalino). Mediante la herramienta desarrollada, la información inicial puede modificarse en cualquier momento con el fin de obtener los valores correspondientes a nuevas condiciones. Uno de los aspectos más importantes es el que la herramienta se adapta fácilmente con el mínimo de variaciones. Las bases de datos que se incluyen en las hojas de cálculo pueden ser actualizadas por el usuario o ajustarse a las necesidades específicas de cada proceso. Todo el análisis se lleva a cabo de forma automática, una vez introducida la información inicial del proceso e información económica. Environmental Diagnosis of Process Plants by Life Cycle Techniques Haydée A. Yrigoyen González The objective of this work is to develop a tool that integrates simulation, environmental assessment and sensitivity analysis aspects. To support this tool, a methodology consisting of five levels was established. These are: process simulation, Inventory, environmental impacts assessment, economic analysis and sensitivity analysis. The developed methodology describes the variables related to the process, as well as the impacts associated to each stages, the economic viability of the process, and the process stages with the highest environmental impact (by means of the sensitivity analysis). ASPEN Hysys® is the chosen software for the simulation of processes. The inventory, impact assessment and the economic analysis are automatically obtained in spreadsheets, by means of macros execution. The inventory and the impacts assessment are performed following the Life Cycle methodology. Therefore, the environmental loads of the raw materials, electricity generation and utilities are considered. In order to generate the inventory, a data base was constructed; it contains the environmental information associated to industrial processes that are indirectly related to the process under study. Similarly, a data base with the characterization factors of the most important impact categories was included in the tool. The validation of the methodology and the developed tool has been accomplished by their application to three industrial processes: low density polyethylene (LDPE), ethylene oxide (EO) and biodiesel production. Different configurations have been evaluated for each process to determine the best option from the environmental and economic point of view. For the LDPE process, the configuration change has focused in the origin of the electricity, which can be supplied by the Spanish National Network or a cogeneration unit. Based on our results, the best configuration corresponds to the process employing electricity by cogeneration, since steam is obtained as by-product and the emissions associated to the electricity generation are eliminated. These facts are reflected in an important reduction of the overall impacts associated to this process. In the second analyzed process, referring to the production of ethylene oxide, four configurations have been evaluated: using air or oxygen as raw material and electricity from the Spanish Network or produced by cogeneration. Related to the origin of the electricity, using cogeneration, a better environmental profile is obtained. On the other hand, the oxygen as raw material is better than air due to the best yield of ethylene oxide in the reaction stage. Due to the better selectivity of the oxygen in the reaction, the costs of O2 as raw material are compensated by high production. Finally, the process evaluation of the biodiesel production has been carried out. In this case, an acid and a basic catalyst were compared. The best configuration corresponds to the process using an acid catalyst. In the acid process lower environmental impacts are generated. Furthermore, this configuration has a better economical profile since the costs associated to the production are smaller and a pre-treatment unit is not required, as in the alkaline process. The initial information can be modified at any time to obtain the profile associated to the new conditions by means of the developed tool. Also, the tool can be adapted to any process in an easy way. The included database can be updated or adjusted by the user at any time to personalize them to the specific necessities of each process. Once the initial information is introduced, the analysis is executed automatically. The developed tool is able to make the simulation, its environmental diagnosis, economic evaluation and the sensitivity analysis of any industrial process, introducing the initial operation conditions.