Archivo: Ingeniería Sustentable
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Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
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Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
Dra. Martha Lilia Domínguez Patiño / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
En nuestra vida diaria pasan por desapercibido que todos los productos que utilizamos han sido diseñados por alguien antes de llegar a nuestras manos. Generalmente, como usuarios de cualquier tipo de productos tenemos una serie de necesidades que satisfacer, tales como, lavarnos la cara después de levantarnos, comer cereal con leche para el desayuno, utilizar el auto para ir al trabajo, imprimir el reporte de ventas de la empresa hasta la calefacción por las noches frías. Este conjunto de necesidades demandan una serie de productos que a su vez deben cumplir una serie de requisitos (costo, calidad, forma y tamaño, entre otros.) Este conjunto de requisitos es una de las fuentes de información con que cuenta un diseñador para poder crear o innovar un determinado producto.
Si partimos de una de las definiciones de la palabra diseño, según la cual es “la concepción original de un objeto destinado a producirlo” (RAE, 2010), muchos de los productos que utilizamos hoy en día ha tenido su origen en los procesos químicos o industriales, en el cual ha sido producido a gran escala.
El diseñar un proceso químico o industrial se refiere a la creación o innovación de las etapas necesarias para poder transformar la materia prima y la energía en productos deseados. En particular el término de diseño de procesos energéticamente sustentables, se refiere a que en el proceso de creación o innovación se debe considerar el uso y manejo eficiente de los energéticos que se requieran en las etapas de transformación de la materia minimizando el impacto al medio ambiente. Si un proceso en particular cumple con esta serie de condiciones se le reconoce como un proceso sustentable.
En ingeniería química existen varias metodologías para poder realizar el diseño de procesos. Una de ellas, es la metodología jerárquica propuesta por James Douglas (Douglas, 1988). En esta metodología de diseño se propone realizar el diseño conceptual de un proceso con base en las siguientes decisiones jerárquicas:
- 0. Información inicial
1. Proceso por lotes (batch) o continuo
2. Estructura de entradas y salidas
3. Estructura de reciclos
4. Sistemas de separación
5. Integración de energía.
En la etapa 0 se debe recopilar toda la información posible sobre el nuevo producto a fabricar. Es de suma importancia contar con información sobre las posibles reacciones químicas (si es el caso) para transformar la materia prima en el producto deseado, así como el volumen de producción requerido y la pureza deseada.
En la etapa 1 en realidad es donde se toma la primer decisión de diseño, la cual es si el proceso operará por lotes o continúo. Esta decisión esta fundamentada básicamente en el volumen de producción anual. Si el volumen de producción anual es menor a las 500 toneladas, se recomienda que el proceso sea un proceso por lotes (un ejemplo de un proceso por lotes es el proceso de producción de pintura). Si el volumen de producción anual es mayor de las 5 mil toneladas generalmente es un proceso continuo (por ejemplo, las refinerías de petróleo son procesos continuos).
En la etapa 2 se define la estructura de las corrientes de entrada (insumos o materia prima) y salida (producto principal y subproductos). Esta etapa es necesaria debido a que en muchas ocasiones la materia prima viene contaminada o con impurezas que deben ser retiradas antes de procesarla y para el caso del producto principal el usuario final especifica una concentración (pureza), tipo de empaque, presentación, entre otros.
En la etapa 3 se analiza la necesidad o no de contar con corrientes de reciclo. Básicamente una corriente de reciclo es necesaria si se tiene que reprocesar cantidades suficientes de materia prima que no ha reaccionado (en caso de haber reacciones químicas en el proceso), o de materia prima que no ha sido separada con la concentración requerida.
En la etapa 4 se especifican los sistemas de separación que se utilizarán para poder tratar la materia prima o el efluente del reactor en caso de haber reacciones químicas. Los sistemas de separación se dividen básicamente en sistemas de separación de líquidos (SSL) o sistemas de recuperación de vapor (SRV). En los SSL se utiliza la propiedad de volatilidad o punto de ebullición de las especies químicas presentes y en los SRV se utiliza la presión de vapor o punto de condensación.
Finalmente, en la etapa 5 se hace el análisis de las necesidades de energía calorífica del proceso (calentamiento o enfriamiento). Esta etapa es de suma importancia porque es donde se determina la cantidad de energía que se debe suministrar o retirar del proceso para que éste pueda transformar la materia prima en el producto deseado. Una de las formas de realizar este análisis es mediante la metodología de punto de pliegue (Kemp, 2006), en la cual básicamente se determinan las corrientes de proceso calientes, las corrientes de procesos frías y su posible intercambio de energía calorífica, es decir, las corrientes calientes pueden ceder energía en forma de calor a las frías y las frías podrían recibir la energía calorífica de las calientes para poder enfriarlas. Con este posible intercambio de energía se logra minimizar la energía en forma de calor requerida por el proceso.
No se debe de olvidar que el diseño de los procesos energéticamente sustentables, es una tarea complicada y multidisciplinaria en la cual se deben considerar factores económicos, técnicos, ambientales y sociales para que un proceso químico o industrial pueda llevarse a cabo y satisfacer al menos una necesidad de la creciente población mundial. Los autores de esta colaboración formamos parte del Cuerpo Académico (CA) UAEMOR-100 "Diseño, ingeniería e impacto de los procesos", en el cual una de nuestras líneas de investigación es el diseño de procesos energética y ambientalmente sustentables. En nuestro CA hemos participado en el diseño y rehabilitación de plantas de tratamiento de agua residual, diseño de incineradores de residuos sólidos y diseño de rellenos sanitarios para la obtención de gases de combustión. Actualmente estamos participando para el diseño de una unidad móvil de difusión de la ciencia.
Referencias:
Douglas, J. (1988), Conceptual Design of Chemical Processes, Mc Graw Hill.
Kemp, I.C. (2006). Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 2nd Edition. Elsevier.
RAE (2010), www.rae.es. Consulta diciembre 2010.
Antonio Rodríguez Martínez es doctor en ingeniería química con especialidad en diseño, modelado y simulación de procesos. Una de sus líneas de investigación es el diseño de procesos ambientalmente sustentables.
Rosenberg Javier Romero Domínguez es doctor en ingeniería con especialidad en energía. Una de sus líneas de investigación es el diseño y desarrollo de bombas de calor.
Martha Lilia Domínguez Patiño es doctora en el área de Ingeniería de los Materiales y su línea de investigación es biomateriales.