capÍtulo 10
DESCRIPTION
CAPÍTULO 10. EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL DE UNA HOJA DE FLUJO DE PROCESO - TIER 3. Objetivo. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Objetivo
Realizar una evaluación detallada de impacto ambiental de una hoja de flujo de
un proceso químico para identificar un grupo de índices ambientales (medidas) y evaluar el impacto o riesgo del proceso
entero para la salud ambiental o el medio ambiente.
Orden de los temas:
• Introducción • Estimación de los destinos ambientales de las
emisiones y los desechos• Tier 3 medidas para la evaluación del riesgo
ambiental de los diseños de proceso• Diseño conceptual de evaluación de impacto
ambiental de una hoja de flujo de un proceso químico
¿Qué información se requiere para realizar el Tier
3 Evaluación Ambiental?• Establecer una hoja de flujo de un proceso• Definir los límites alrededor de la evaluación
ambiental• Formular los indicadores de impacto ambiental
(índices o medidas)• Maximizar la Eficiencia de Masa• Maximizar la Eficiencia de Energía
Índices o medidas ambientales
Pueden ser usados para varias aplicaciones ingenieriles importantes relacionadas con el diseño de procesos, incluyendo:
– Ranking de tecnologías– Optimización de procesos de
reciclaje/recuperación de desechos en proceso– Evaluación de modos de operación de reactores
Evaluación de Emisiones: Análisis Cuantitativos
Las EMISIONES son la información básica más importante concerniente al las hojas de flujo del diseño de procesos porque:
Concentración y ubicación son (emisiones, propiedades físicas y químicas de la sustancia)
Los modelos de transporte y destino pueden ser usados para transformar valores de emisión en las concentraciones ambientales relacionadas.
)))((( rateemissionionconcentratdosefimpact
Evaluación de Emisiones: Análisis Cuantitativos... continuación
La toxicidad y/o información inherente de impacto es requerida para convertir la concentración dependiente de la dosis en probabilidades de riesgo
Categorías de los pasos de evaluación de impacto ambiental:
– Estimación de las velocidades de liberación para todos los químicos en el proceso
– Cálculo del destino ambiental y del transporte y concentración ambiental
– Conteo de medidas múltiples de riesgo usando información toxicológica y de impacto ambiental
Evaluación de Riesgo Potencial
...conveniente para aplicaciones a gran escala donde la evaluación de riesgo potencial ambiental y para la salud debe realizarse por análisis cuantitativo.
...más apropiada para comparar el riesgo ambiental de los diseños de procesos químicos
...proceso químico y su diseño puede ser evaluado por puntos de referencia de impacto
Puntos de Referencia de Impacto• Es una razón adimensional del impacto ambiental
causado por la liberación de un químico en comparación de la descarga idéntica de un compuesto bien estudiado (punto de referencia)
• Si el valor de referencia es mayor que 1, entonces el químico tiene un mayor potencial de impacto ambiental que el compuesto referenciado.
• Emisión equivalentes del compuesto de referencia (en términos de impacto ambiental) = (impacto ambiental potencial referenciado) * (velocidad de emisión del proceso)
Límites para evaluación de impacto
De Allen (2004) Design for the Environment - http://www.utexas.edu/research/ceer/che341
Etapas de Pre-Manufactura química* Extracción del ambiente
* Transporte de materiales
* Refinación de materias primas
* Almacenamiento y transporte
*Carga y descarga
Etapas de Post Manufactura química
* Manufactura de producto final* Uso del producto en el comercio* Reuso/reciclaje* Tratamiento/destrucción* Confinamiento* Liberación al ambiente
Proceso Químico de Manufactura
* Reacciones químicas* Operaciones de separación* Almacenamiento de material* Carga y descarga* Transporte de material* Procesos de tratamiento de desechos
Descargas aéreas descargas de agua de desecho desechos sólidos/peligrosos
Consumo de energía Descargas químicas tóxicas deterioro de recursos
Impactos Ambientales
Calentamiento global deterioro de la capa de ozono calidad del aire - smog acidificación ecotoxicidad efectos a la salud humana cancerígenos y no cancerígenos deterioro de recursos
ObjetivoDeterminar el transporte y los procesos de reacción que afectan la concentración última de un químico liberado al ambiente (agua, aire y suelo)
La evaluación es hecha usando los modelos de destino ambiental y de transporte:-Un compartimiento - Compartimiento Multimedia
Eligiendo los Tipos de Modelos
• exactitud : – Este parámetro varía de acuerdo al método del
modelo de incorporar los procesos ambientales en su descripción de transferencias de masa y reacciones
• Facilidad de uso : – Este parámetro refleja los datos y
requerimientos computacionales que el modelo coloca en la evaluación ambiental
Modelos de Un Compartimiento• Ventajas :
– Pocos datos químicos y/o específicos ambientalmente requeridos
– Resultados relativamente precisos usando recursos computacionales modestos
• Desventajas: – La información solo es
para un medio (severas limitaciones cuando se están considerando múltiples impactos ambientales)
•Ejemplos: – Modelos de Dispersión atmosférica para predecir concentraciones de aire de fuentes estacionarias– Modelos de dispersión para agua de subsuelo para predecir perfiles de concentraciones contaminantes en columnas
Modelos de Compartimiento Multimedia (MCMs)
• Ventajas:– Información de transporte y
destino en más de un medio
– Entrada mínima de datos requerida
– Relativamente simple y eficiente computacionalmente
– Cuenta con varios mecanismos de transporte y degradaciones intermedios
• Desventajas: – La falta de datos
experimentales puede ser usada para verificar la exactitud del modelo
– La creencia general de que solo proveen estimados de orden de magnitud de las concentraciones ambientales
– Grandes requerimientos computacionales pueden resultar en difíciles implementaciones prácticas para evaluaciones de rutina de procesos químicos.
Ejemplo de Modelos Multimedia: Modelo de Fugacidad Multimedia Nivel III
Allen, A.T., D.R. Shonnard (2002) Green engineering, Prentice HallMacKay, D.(2001) Multimedia environmental models: the fugacity approach, CRC Press
El modelo predice concentraciones en estado estable de un químico en cuatro compartimientos ambientales (1) aire, (2) agua superficial, (3) suelo, (4) sedimentos en respuesta a una emisión constante en una región ambiental de volumen definido
Fugacidad y Capacidad de Fugacidad
• Fase aérea
• Fase acuosa
• Suelo
• Factores de Capacidad de Fugacidad
Fugacidad: Fase Aérea • Definida como: Donde :
– y es la fracción molar de químico en la fase aérea– Ф es el coeficiente de fugacidad adimensional que corresponde al
comportamiento no ideal– PT es la presión total (Pa)– P es la presión parcial del químico en la fase aérea
• Concentración y fugacidad :
Donde : – n es el número de moles del químico en un volumen dado V (mol)– V es el volumen dado (m3)– R es la constante de los gases (8.312 (Pa m3)/(mole K))– T es la temperatura absoluta (K)– Z1 es la capacidad de fugacidad (=1/(RT))
PPyf T
11 )/()/(/ ZfRTfRTPVnC
Fugacidad: Fase acuosa• Definida como: Donde:
– x es la fracción molar
– y es el coeficiente de actividad en la convención de la ley de Raoult
– PS es la presión de saturación del vapor del químico líquido puro a la temperatura del sistema (Pa)
• Concentración y Fugacidad: • Donde:
– vw es el volumen molar de la solución (agua, 1.8x10-5m3/mole)
– H es la constante de la ley de Henry para el químico (Pa.*m3/mole)
– Z2 es la capacidad de fugacidad del agua para cada químico (=1/H)
– C2 es la concentración en solución acuosa (moles/m3)
SPxf
22 /)/(/ fZHfPvfvxC SWW
Fugacidad: Suelo• Definida como:• Donde:
– Cs es la concentración sorbida (moles/kg suelo o sedimento)– C2 es la concentración acuosa (moles/L solución)– Kd es el coeficiente de distribución de equilibrio (L solución/kg sólidos)
• Coeficiente de distribución relacionado a contenido orgánico:• Concentración y Fugacidad:
• Donde: – р3 es la densidad de la fase (kg sólido/m3 sólido)– Ф3 es la fracción másica de carbón orgánico en el suelo (g carbón orgánico/g
sólidos del suelo)– Koc es el coeficiente de distribución basado en el carbón orgánico (L/kg)– Z3 es la capacidad de fugacidad
2CKC dS
3/dOC KK
fZfKHC OCS 3333 1000//1
Capacidad de Fugacidad para Compartimientos y Fases en el ambiente
Fases Ambientales Densidad de las Fases (kg/m3)
Fase aire Z1=1/RT 1.2
Fase acuosa Z2=1/H 1,000
Suelo Z3=(1/H)KOCΦ3ρ3/1000 2,400
Sedimento Z4=(1/H)KOCΦ4ρ4/1000 2,400
Fase de sedimento suspendido Z5=(1/H)KOCΦ5ρ5/1000 2,400
Fish Phase Z6=(1/H)0.048ρ6KOW 1,000
Fase Aerosol Z7=(1/RT)6x106/PSL
Donde R=Constante de los gases (8.314Pa*m3/mole*K)T= Temperatura Absoluta (K)H=Constante de la ley de Henry (Pa*m3/mole)KOC=Coeficiente de partición de carbono orgánico (=0.41KOW)KOW=coeficiente de partición Octanol-agua ρi=densidad de la fase por fase i (kg/m3)Φi=fracción másica de carbón orgánico en la fase i (g/g)
Compartimientos Ambientales
Compartimiento de Aire (1) ZC1=Z1+2x10-11Z7 (Aproximadamente 30 μg/m3 aerosoles)
Compartimiento de agua (2) ZC2=Z2+5x10-6Z5+10-6Z6 (5 ppm sólidos, 1 ppm peces por vol.)
Compartimiento de sólidos (3) ZC3=0.2Z1+0.3Z2+0.5Z3 (20% aire, 30% agua, 50% sólidos)
Compartimiento de sedimento (4) ZC4=0.8Z2+0.2Z4 (80% agua, 20% sólidos)Note: Para aerosoles sólidos PSL=PS
S/exp{6.79(1-TM/T)} donde TM es el punto de fusión (K). Adaptado de Mackay et. Al. (1992).
Transporte entre interfases
• Procesos Difusivos– Pueden ocurrir en más de una dirección, dependiendo de
los signos de fugacidad de los diferentes compartimientos– Velocidad de transferencia: N = D(f)– Ej. Volatilización de agua a aire o de suelo a aire.
• Procesos No Difusivos– Es el transporte en una dirección entre compartimientos– Velocidad de transferencia: N = GC = GZf = Df– Ej. Deslave por lluvias, deposiciones húmedas/secas a
agua y suelo, deposiciones de sedimentos y resuspensiones
Procesos Difusivos y No difusivos
Transporte entre interfases... continuación
• Un enfoque de dos películas es usado con los coeficientes de transferencia de masa para el aire (u1 = 5m/h) y agua (u2 = 0.05 m/h). El parámetro de transporte intermedio para absorción es dado por:
• El valor D para deslave por lluvia puede ser dado como:
• El valor D para la deposición húmeda/seca es dado por:
• El valor D acumulado para transferencia de aire a agua:
• El valor D para transferencia de agua a aire es:
Derivaciones de Parámetros: Transporte Aire-Agua
))/(1)/1/(1 2211 ZAuZAuD WWVW
23 ZAuD WRW
74 ZAuD WQW
VWDD 21
RWQWVW DDDD 12
• Después del desarrollo, la ecuación de valor D para la difusión de aire a suelo es dada por:
• Con:
• El valor D acumulado para todos los procesos aire a suelo es dado por:
• Y el transporte de difusión suelo a aire es:
Derivaciones de Parámetros: Transporte Aire-Suelo
))/(1/1/(1 SASWSVS DDDD
15 ZAuD SS 26 ZAuD SSW
RSQSVS DDDD 13
Transporte entre interfases... continuación
17 ZAuD SSA
VSDD 31
• El valor D de agua a sedimento puede ser estimado por:
Donde:– u8 es el coeficiente de transferencia de masa (m/h)– AW es el área (m2)– u9 es la velocidad de deposición del sedimento (m/h)
• El valor D de sedimento a agua puede ser estimado por:
• Donde : – u10 es la velocidad de resuspensión (m/h)
Derivaciones de Parámetros: Transporte Agua-Sedimento
592824 ZAuZAuD WW
4102842 ZAuZAuD WW
Transporte entre interfases... continuación
• El valor D para la transferencia de suelo a agua es:
• Donde: – u11 es la velocidad de agua de salida (m/h)– u12 es la velocidad de salida del sólido (m/h)
• El valor D del mecanismo de transporte no difusivo usado para describir la remoción de químicos de sedimento por entierro es:
• Donde:– uB es la velocidad de entierro del sedimento (m/h)
Derivaciones de Parámetros: Transporte Suelo-Agua
31221132 ZAuZAuD SS
44 ZAuD WBA
Transporte entre interfases... continuación
• La velocidad total de entradas para cada medio es:
• Donde:– Ei es la velocidad de emisión (moles/h)– GAi es el flujo advectivo (m3/h)– CBi es la concentración externa de fondo del compartimiento i
(moles/m3)
• La velocidad total de las salidas de la totalidad del flujo para cada medio es:
• Donde: – ZCi es la capacidad de fugacidad del compartimiento i
Derivación de Parámetros: Transporte Advectivo
BiAiii CGEI
Transporte entre interfases... continuación
CiAiAi ZGD
Procesos de Pérdida de Reacción
Los procesos de pérdida de reacción que ocurren en el ambiente incluyen:
– Biodegradación– Fotólisis– Hidrólisis– Oxidación
Ecuaciones de Balance
Aire I1+f2D21+f3D31=f1DT1
Agua I2+f1D12+f3D32+f4D42=f2DT2
Suelo I3+f1D13=f3DT3
Sedimento I4+f2D24=f4DT4
Donde el lado izquierdo es la suma de todas las ganancias y el lado derecho es la suma de las pérdidas, II=EI+GAICBI, siendo I4 usualmente cero. Los valores D del lado derecho son:
DT1=DR1+DA1+D12+D13
DT2=DR2+DA2+D21+D24
DT3=DR3+DA3+D31+D32
DT4=DR4+DA4+D42
La solución para las fugacidades desconocidas de cada compartimiento es:
f2 = (I2+ J1J4/J3 + I3D32/DT3 + I4D42/DT4)/(DT2 - J2J4/J3- D24D42/ DT4)
f1 = (J1+ f2J2) /J3
f3 = (I3+ f1D13) /DT3
f4 = (I4+ f2D42)/DT4
Donde J1 = I1 / DT1 + I3D31/(DT3DT1)
J2 = D21/ DT1
J3 = 1 – D31D13/(DT1DT3)
J4 = D12 + D32D13/DT3)
Ecuaciones de Balance molar para el Modelo de Fugacidad Mackay Nivel III.
• Este tier discutirá como combinar los datos concernientes a la estimación de emisiones, destino ambiental e información de transporte y datos de impacto ambiental para desarrollar una evaluación de los riesgos potenciales causados por las descargas de sustancias del diseño de procesos químicos
• Se usarán índices y el ejemplo de modelo de compartimiento multimedia será fuente de concentraciones ambientales que serán usadas en los ÍNDICES.
Tier 3 Medidas para la Evaluación de Riesgo Ambiental del Diseño de Procesos
• Índices Ambientales• Calentamiento Global• Deterioro del Ozono• Lluvia ácida• Formación de Smog• Toxicidad y Carcinogenicidad
Tier 3 Medidas para la Evaluación de Riesgo Ambiental del Diseño de Procesos
Impactos Abióticos y Bióticos• Impactos Abióticos:
– Calentamiento Global
– Deterioro del ozono estratosférico
– Acidificación
– Eutroficación
– Formación de Smog
• Implicaciones Globales
– Calentamiento global
– Deterioro del ozono estratosférico
• Implicaciones Regionales
– Formación de Smog
– Deposición de ácido
• Implicaciones Locales
– Toxicidad
– CarcinogenicidadB
i
IIPEP
IIPEP
)])([(
)])([(al)Adimension Riesgo de (Índice i
B es para el compuesto de referencia e i es el compuesto químico de interés.
Calentamiento Global (GW)
• GWP es un índice común y es la energía infrarroja cumulativa capturada por la liberación de 1 kg de gas invernadero relativo a 1 kg de dióxido de carbono
• El índice para GW puede ser estimado usando el GWP con:
• Usando efectos de compuestos orgánicos...
n
COCO
n
ii
i
dtCa
dtCaGWP
0
0
22
i
iiGW mGWPI )(
i
COCi MW
MWNindirectGWP 2)(
i
iiOD mODPI )(
El Potencial de Deterioro del Ozono (Ozone Depletion Potential, ODP) es un cambio integrado del ozono estratosférico causado por una cantidad específica de un compuesto químico.
Es una comparación entre el daño causado por una cantidad específica de un químico dado y el daño causado por la misma cantidad de un compuesto de referencia.
Deterioro del Ozono
113
3
CFC
ii O
OODP
Lluvia ácida
HX
i
ii MW
2SO
iiARP
i
iiAR mARPI )(
La relación entre el número de moles de H+ creados por número de moles emitidos es llamada potencial de acidificación. La siguiente ecuación (balance) provee esta relación.
Formación de Smog
223
323
32
)(
)(
ONONOO
MOMOPO
NOPOhvNO
oxidación de productos otros
oxidación de productos otros
22
2
OHradicales
radicalesNONORO
ROOHVOC
ROG
ii MIR
MIRSFP
iiiSF mSFPI )(
Las siguientes ecuaciones representan el proceso mas importante para la formación de ozono en la atmósfera baja (fotodisociación de NO2)
Los VOC's no destruyen el O3 pero forman radicales que convierten NO en NO2.
Potencial de Formación de Smog Emisiones equivalentes de proceso de ROG
ToxicidadToxicidad no carcinogénica
)/()70/()/2)((
)/()70/()/2)((
,
,
toluenewtoluene
iwi
RfDkgdLC
RfDkgdLCINGTPi
tolueneatoluene
iaii RFCC
RFCCINHTP
/
/
,
,
)( iiING mINGTPI
)( iiINH mINHTPI
La toxicidad no carcinogénica es controlada por límites establecidos de exposición. Por encima de estos valores se manifiesta una respuesta tóxica. Los parámetros clave para estos químicos son la dosis de referencia (RfD [mg/kg/d]) o la concentración de referencia (RfC [mg/m3]).
Potencial de toxicidad para exposición vía ingestión
Potencial de toxicidad por inhalación
Índice de toxicidad no carcinogénica para el proceso completo (ingestión)
Índice de toxicidad no carcinogénica para el proceso completo (inhalación)
Un método similar al de la toxicidad no carcinogénica es usado para medir el riesgo relacionado al cáncer; se basa en concentraciones predichas de químicos en el aire y agua de la liberación de 1000 kg/h.
ToxicidadCarcinogenicidad
))(,
(
))(,
(
benzeneSF
wbenzeneC
iSF
wiC
INGCPi ))(,
(
))(,
(
benzeneSF
abenzeneC
iSF
aiC
INHCPi
)( ii
iCING mINGCPI
)( ii
iCINH mINHCPI
Potencial carcinogénico de un químico determinado por la razón del riesgo del químico al de compuesto de referencia.
Índice de carcinogenicidad toxicidad para el proceso completo (ingestión)
Índice de carcinogenicidad toxicidad para el proceso completo (inhalación)
Ingestión Inhalación