detección de los puntos críticos del proceso de...

Detección de los puntos críticos delproceso de galvanizado por inmersión en

caliente: un enfoque hacia lasostenibilidad y el desarrollo sostenible

Jose Daniel Hernández Betancur

Universidad Nacional de ColombiaFacultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales

Medellín, Colombia2018

Detección de los puntos críticos delproceso de galvanizado por inmersión en

caliente: un enfoque hacia lasostenibilidad y el desarrollo sostenible

Detection of the critical points of the hot-dip galvanizing process: afocus on sustainability and sustainable development

Jose Daniel Hernández Betancur

Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al titulo de:Magíster en Ingeniería – Materiales y Procesos

Director:Ph.D. Hugo Fernando Hernández García

Codirectora:Ph.D. Luz Marina Ocampo Carmona

Universidad Nacional de ColombiaFacultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales

Medellín, Colombia2018

Dedicatoria

A la eterna memoria de aquellos que con su esfuerzo contribuyeronen 1887 a un sueño llamado Escuela Nacional de Minas.

“Aquellos de entre vosotros que sintáis en vuestro pecho ánimosuficiente para luchar sin temor y sin descanso con las dificultadesnaturales y las preocupaciones sociales; los que hayáis heredado devuestros padres la honradez, la energía y los hábitos de economíay de trabajo proverbiales en nuestra raza, dad un paso al frenteporque vuestro es el porvenir. Los errores y los fracasos de los queos hemos precedido en la exploración del territorio colombianoarrojan luz sobre vuestra senda, y podréis triunfar de la naturalezacon menos esfuerzo que nosotros. Pero los que no llenéis todasestas condiciones haríais mejor en volver a nuestras casas, porquellegaríais con el tiempo a ser la deshonra de la Escuela, y sólocontribuirías a las ruinas de nuestra querida Patria”.

Tulio Ospina Vásquez, 1888

A mi abuelo y padre, Amado Hernández Gaviria, porque jamástendré como pagar en vida todo lo hecho por mí y sus futurasgeneraciones. En estas páginas queda un testimonio de tu trabajoa lo largo de esta primavera...una llave de entrada a tu tananhelado reino de Dios.

A mi hija, María José, quién es color y lineas en las pinturas;valles y montañas que embellecen los caminos; rosa de los vientosque orientan el destino; fuente de talento, que sin su presencia seríadesconocido...

Agradecimientos

En primera instancia quiero agradecer a la Universidad Nacional de Colombia y a lafundación Juan Pablo Gutiérrez Cáceres por la beca que permitió realizar esta maestría.Adicionalmente, quiero dar especialmente gracias a la Universidad Nacional de Colombia,Medellín, por generar los espacios que motivaron mi curiosidad y pasión desde el año 2010,cuando inicie mi pregrado en Ingeniería Química.

Igualmente, agradezco al grupo de expertos en sostenibilidad industrial y/o industriade recubrimientos que de manera cordial brindaron un espacio en su agenda, para llenar laencuesta que permitió el cálculo de los pesos relativos tanto de las categorías e indicadoresde sostenibilidad.

Agradezco al señor Gerardo J Ruíz-Mercado de la U.S. Environmental Protection Agencypor suministrar la versión beta de la metodología GREENSCOPE en Excel, la cual fue degran utilidad para este proyecto. Igualmente agradezco al grupo de la herramienta EPAGREENSCOPE.

Quiero agradecer a mi familia: a mis abuelos maternos por ser las personas quepermitieron de uno u otra forma que llegara hasta este punto; a mi madre por darme lavida que use para llenar estas paginas; a mi hermano, que sin entender sobre este tema,me ayudo varias veces a encontrar la forma más adecuada de redactar y organizar variospuntos de esta tesis; a mis tías, Ligia y Gloria, que varias veces cumplieron algunos de miscaprichos para cargar energías y finalmente, quiero agradecer a mi montaña rusa, mi hijaMaría José, porque desde el momento que nació se convirtió en el punto de inflexión paraquerer impactar positivamente la vida de muchas personas, especialmente la de ella.

Agradezco inmensamente a mi primo Bernardino, su esposa Gina y su hija Mikaela,porque siempre fueron un apoyo enorme, porque siempre estaban ahí para escucharme, tantocuando tenía noticias extraordinarias como para decir que las cosas no marchaban bien. Aellos igualmente doy infinitas gracias por su contribución en el primer paso para realizar estamaestría. A Bernardino doy un agradecimiento especial porque fue mi referente para tomarla decisión de sumergirme en el extraordinario mundo de la ingeniería química.

Quiero agradecer igualmente a mis amigos Sebastian Henao, Jaime Mosquera, DanielOswaldo Maldonado y Edilberto Suarez por su retroalimentación con respecto al desarrollo ypertinencia de la encuesta desarrollada, para obtener los pesos de los indicadores y categorías.Agradezco a Sebastian Romero por su asesoría sobre algunos aspectos de electroquímica. Engeneral doy gracias a todos mis amigos y primos que me han acompañado durante estos

viii

años, en medio del sube y baja de la vida, especialmente a Sebastian Henao, por motivarmea ver el mundo más allá de lo establecido y emprender rutas de riesgo que jamas imaginerecorrer, y por las cuales espero seguir recorriendo en los años que se vienen...porque hacerlas cosas bien no es suficiente.

Doy gracias a la profesora Luz Marina, por abrir las puertas de la Universidad Nacionalde Colombia para la realización de esta tesis, por brindarme su amistad, por su buena energía,por las largas charlas no sólo sobre la tesis, sino también sobre otros aspectos de la vida ypor ayudarme tantas veces a gestionar varios aspectos importantes para el desarrollo de estatesis.

Por ultimo, quiero agradecer a Hugo Hernández, por su humildad desde el primer díaque lo conocí y que mantuvo en todo momento que escucho mi ideas y e hizo sugerencias ycorrecciones. Quiero agradecer porque sin ningún valor a cambio siempre estuvo disponiblepara ayudarme en un sin fin de cosas, porque desde que terminé mi pregrado se convirtióen mi padrino académico y profesional...en verdad muchas gracias por mostrarme el caminoque seguiré de ahora en adelante.

ix

Resumen

El proceso de galvanizado en caliente es uno de los métodos más utilizados para protegerel acero de la corrosión, mediante la formación de una aleación Fe − Zn. Sin embargo, lautilización de grandes cantidades de agua, energía y diferentes materias primas; así como lageneración de subproductos, contaminantes, emisiones y desechos en las diferentes etapas,lleva a que el desempeño ambiental del proceso sea una de las principales preocupacionesalrededor de éste. Por tal razón, muchos trabajos se han centrado en resolver tal problema,pero con una carencia en la incorporación de las diferentes partes interesadas; de los pilaresambientales, sociales y económicos del desarrollo sostenible; de una mirada espacial centradaen el proceso mismo como sistema y de la incertidumbre epistémica y aleatoria asociada ala sostenibilidad como medición.

Por lo anterior, esta investigación selecciona 17 indicadores pertenecientes a las categoríasde medio ambiente, energía, eficiencia y economía de la metodología GREENSCOPE, cuyofoco es un análisis centrado en el proceso. Adicionalmente, emplea la ISO 1461 que establecelos requerimientos técnicos para el espesor del recubrimiento de zinc. Por otro lado, el procesode jerarquía analítica difusa es utilizado para el cálculo de la importancia relativa tanto decategorías e indicadores de sostenibilidad, desde la información recolectada por medio de unaencuesta. Pesos que a su vez, son empleados con el método de utilidad aditiva para calcularla capacidad actual del proceso de alcanzar un estado de sostenibilidad. Como parte de lametodología planteada se utiliza el análisis de partición jerárquica para establecer las etapasdel proceso e indicadores, que tienen un mayor efecto en la variación de la sostenibilidaddel proceso; siendo complementado con el principio de Pareto en sinergia con una prueba dehipótesis para coeficientes de determinación. Así mismo, se utilizan intervalos de confianzapara la medía de la utilidad del proceso y se calcula la probabilidad del proceso de alcanzarla sostenibilidad.

El marco metodológico planteado puede ser empleado tanto con inventarios obtenidosde una instalación real de galvanizado en caliente o mediante la implementación de unasimulación. En este trabajo, se emplea el método de Monte Carlo cinético para representarun proceso específico de galvanización en caliente, teniendo en cuenta la aleatoriedadasociada a éste, a las piezas de acero que entran a él y a sus alrededores. Los resultados,obtenidos muestran que para este proceso en particular, las etapas de decapado y fluxado soncríticas, y que sólo pueden ser mejoradas mediante un notable cambio en su configuración.Adicionalmente, de acuerdo a lo obtenido, este proceso tiene una probabilidad de tan sólo45,26 % de ser sostenible. Así, queda clara las bondades de la metodología para identificarlos puntos de mejora del proceso y el riesgo asociado a su configuración.

Palabras claves: galvanización por inmersión en caliente, sostenibilidad, desarrollosostenible, método de utilidad aditiva, GREENSCOPE, proceso de jerarquía analíticadifusa, análisis de partición jerárquica, método de Monte Carlo cinético

x

Abstract

Hot-dip galvanizing process is considered one of the most important corrosion protectionalternatives for steel, by forming a Fe − Zn alloy. However, the use of large amounts ofwater, energy and different raw materials; as well as the generation of by-products, pollutants,emissions and wastes in the different stages, leads that the environmental performance of theprocess being one of the main concerns around it. For this reason, many works have focusedon solving this problem, but with a lack of incorporation of the different stakeholders and theenvironmental, social and economic pillars of sustainable development. In addition, withouta process-centered spatial view and the random and epistemic uncertainty associated withsustainability as a measurement.

For the above, this research selects 17 indicators from the environment, energy,efficiency and economy categories of the GREENSCOPE methodology, whose focus is aprocess-oriented analysis. Additionally, the ISO 1461 norm is used, which establishes thetechnical requirements for zinc coating thickness. On the other hand, fuzzy analytic hierarchyprocess is implemented for calculating the relative importance of sustainability categories andindicators, from the information collected by means of a survey; as well as the weights are usedwith the additive utility method to estimate the current capacity of the process to accomplisha state of sustainability. As part of the methodology proposed, the hierarchical partitionanalysis is used to establish the stages of the process and indicators, which have a highereffect on the process sustainability variation; being complemented with the Pareto principlein synergy with a hypothesis test for coefficients of determination. Likewise, confidenceintervals are used for the process utility mean and the probability of the process for achievingsustainability is calculated.

The proposed methodological framework can be used with inventories obtained eitherby real hot-dip galvanizing facility or by the implementation of a simulation. Therefore, inthis work, the kinetic Monte Carlo method is used to represent a specific hot-dip galvanizingprocess, taking into account the randomness associated with it, the steel pieces which come init and its surroundings. The obtained results show that for this particular process, the stagesof pickling and fluxing are critical, and that they can only be improved by a remarkablechange in their configuration. Additionally, according to the obtained, this process hasa probability of only 45,26 % of being sustainable. Thus, it is clear the benefits of themethodology to identify points of improvement of the process and the risk associated withits configuration.

Keywords: hot-dip galvanizing, sustainability, sustainable development, additiveutility method, GREENSCOPE, fuzzy analytic hierarchy process, hierarchicalpartitioning analysis, kinetic Monte Carlo method

Contenido

Resumen ix

Abstract x

Lista de figuras xiv

Lista de tablas xv

Nomenclatura y siglas utilizadas xvi

Introducción 1

1 Aspectos teóricos 61.1 Proceso de galvanizado por inmersión en caliente . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.1 Desengrasado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.2 Decapado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.3 Enjuague . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.4 Fluxado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.5 Secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.6 Galvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.7 Enfriamiento e inspección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2 Panorama general del galvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3 Sostenibilidad y desarrollo sostenible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3.1 Desarrollo sostenible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.2 Sostenibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3.3 Desarrollo sostenible v.s. sostenibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3.4 Incertidumbre asociada a la evaluación de la sostenibilidad . . . . . . 15

2 Metodología para la evaluación de la sostenibilidad 172.1 Método para evaluar la sostenibilidad del proceso . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Revisión de métodos de evaluación de sostenibilidad de procesos . . . 172.1.1.1 Métodos 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.1.2 Métodos 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1.1.3 Métodos 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1.2 GREENSCOPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2 Método para la toma de decisión multiobjetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3 Método para estimar los pesos relativos de los indicadores y categorías . . . 26

2.3.1 Teoría de conjuntos difusos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

xi

xii Contenido

2.3.1.1 Conjunto difuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.1.2 Número difuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.1.3 Operaciones difusas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.2 Procedimiento para calcular los pesos relativos . . . . . . . . . . . . . 292.4 Método para incorporar la incertidumbre al análisis de sostenibilidad . . . . 322.5 Método para detectar los puntos críticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.5.1 Regresión lineal múltiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5.2 Análisis de partición jerárquica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5.2.1 Procedimiento para el análisis de partición jerárquica . . . . 382.5.3 Prueba de hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.6 Selección de los indicadores de sostenibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6.1 Selección de los indicadores de GREENSCOPE . . . . . . . . . . . . 41

2.6.1.1 Selección de los indicadores de eficiencia . . . . . . . . . . . 412.6.1.2 Selección de los indicadores de medio ambiente . . . . . . . 422.6.1.3 Selección de los indicadores de energía . . . . . . . . . . . . 482.6.1.4 Selección de los indicadores de economía . . . . . . . . . . . 48

2.6.2 Indicador de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.6.3 Organización jerárquica de los indicadores de sostenibilidad . . . . . . 52

3 Mímica del proceso de galvanizado por inmersión en caliente 553.1 Modelo de las piezas de acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2 Modelo del galvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.2.1 Desengrase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.2.2 Enjuague . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.3 Decapado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.2.4 Fluxado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.2.5 Secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.2.6 Galvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4 Resultados 72

5 Conclusiones, recomendaciones y perspectiva futura 815.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.2 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.3 Perspectiva futura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

A Anexo: Datos para el uso de GREENSCOPE 84

B Anexo: Encuesta para obtener los pesos de los indicadores y categorías 87

C Anexo: Cálculo de la utilidad global del proceso 89

D Anexo: Códigos de simulación (Matlab) 91D.1 Programa principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91D.2 Proceso de jerarquía analítica difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95D.3 Simulación del proceso de galvanizado por inmersión en caliente . . . . . . . 99

D.3.1 Condición inicial para tanques de desengrase, decapado y fluxado . . 107

Contenido xiii

D.3.2 Densidades soluciones de NaOH y HCl . . . . . . . . . . . . . . . . . 109D.3.3 Desengrase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110D.3.4 Decapado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111D.3.5 Fluxado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

D.4 Código GREENSCOPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116D.5 Análisis de partición jerárquica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

E Anexo: Producción académica del proyecto de tesis 134

Bibliografía 138

Lista de figuras

Figura 1-1. Proceso de galvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Figura 1-2. Microestructura del recubrimiento de zinc . . . . . . . . . . . . . . . 10Figura 1-3. Matriz ambiental de procesos de recubrimiento electrolítico . . . . . . 12Figura 1-4. Preocupación sobre el desempeño ambiental del galvanizado en caliente 12Figura 1-5. Dimensiones del desarrollo sostenible . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Figura 2-1. Curva de indiferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 2-2. Números difusos triangulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 2-3. Interacción entre grados sintéticos difusos y su grado de posibilidad . 31Figura 2-4. Valor límite admisible para un indicador . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 2-5. Valor mínimo admisible para la utilidad del proceso . . . . . . . . . . 35Figura 2-6. Estructura jerárquica de los indicadores seleccionados . . . . . . . . . 53Figura 2-7. Paso a paso e idea subyacente de la metodología propuesta . . . . . . 54Figura 3-1. Diagrama de flujo del proceso de galvanizado mimetizado . . . . . . . 58Figura 3-2. Reacción de saponificación de triglicéridos . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 3-3. Dependencia del espesor del recubrimiento con el %Si en el acero y

la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Figura 4-1. Dispersión asociada a la decisión de cada experto . . . . . . . . . . . 73Figura 4-2. Porcentaje de aporte independiente de cada proceso unitario a la

variación de la sostenibilidad global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Figura 4-3. Prueba de hipótesis para determinar la importancia de los efectos

independientes de los procesos unitarios sobre la variación de lasostenibilidad global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Figura 4-4. Análisis de Pareto para determinar la importancia de los efectosindependientes de los procesos unitarios sobre la variación de lasostenibilidad global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Figura 4-5. Valor promedio de los indicadores de sostenibilidad para el proceso degalvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Figura 4-6. Gráfico de caja y bigotes para los indicadores de sostenibilidad parael proceso de galvanizado en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Figura 4-7. Valor promedio de los indicadores de sostenibilidad de las etapas críticas 79Figura 4-8. Gráfico de caja y bigotes para los indicadores de sostenibilidad de las

etapas críticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

xiv

Lista de tablas

Tabla 1-1 Ejemplo de la composición de limpiadores alcalinos . . . . . . . . . . . 8Tabla 1-2 Plantas de galvanizado en continuo y discontinuo en Colombia . . . . . 11Tabla 2-1 Escala de conversión de números triangulares difusos . . . . . . . . . . 29Tabla 2-2 Masa de recubrimiento según norma UNE-EN/ISO 1461 . . . . . . . . 50Tabla 2-3 Masa de recubrimiento para piezas pequeñas UNE-EN/ISO 1461 . . . 51Tabla 3-1 Masas y probabilidades asociadas a las piezas de acero . . . . . . . . . 56Tabla 3-2 Densidad de soluciones de NaOH a diferentes temperaturas y

concentraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Tabla 3-3 Densidad de soluciones de HCl a diferentes temperaturas y

concentraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Tabla 3-4 Parámetros termodinámicos para las reacciones de fluxado . . . . . . . 69Tabla 4-1 Pesos relativos de categorías e indicadores . . . . . . . . . . . . . . . . 72Tabla A-1Límites de normalización GREENSCOPE y límites máximos o mínimos

admisible para cada indicador en cada etapa del proceso . . . . . . . . 84Tabla A-2Clasificación de las corrientes de salida bajo GREENSCOPE . . . . . 85Tabla A-3Datos para el cálculo de los indicadores SHat, EHair, EHwat, GWP ,

PCOP y AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

xv

Nomenclatura y siglas utilizadas

Letras latinas

Símbolo Término Unidad SI

AAE Economía atómica real kg/kmolkg/kmol

AP Potencial de acidificación atmosférica kgkg

Cfactor Factor de conversión a equivalente en combustible

Cop Costo de compra de un equipo USD

Cm Costo materia prima USD

CUT Costo de un servicio público USD

CWT Costo de tratamiento de un residuo USD

COM Costo de manufactura USD

E Factor ambiental kgkg

E∗ Cantidad de energía requerida MJh

ECclassClasificación de la comunidad europea para sustancias pe-ligrosas

EHair Peligro atmosférico m3

kg

EHwat Riesgo para el agua kgkg

ERPG− 3Máxima concentración aerotransportada bajo la cual todoindividuo puede estar por un tiempo superior a 1 hora sindesarrollar efectos sobre la salud

mgm3

FBM Costo del modulo desnudo USD

xvi

Nomenclatura xvii


%G Calificación GREENSCOPE

GK Clasificación suiza de sustancias peligrosas

GWK Clasificación alemana de peligros para el agua

GWP Potencial de calentamiento global kgkg

I Valor del indicador

Ipeor Peor valor del indicador

Ipeor,C Peor valor para el indicador de calidad µm

Imejor Mejor valor del indicador

Imejor,C Mejor valor para el indicador de calidad µm

IDLHConcentración peligrosa inmediata para la vida y la sa-lud

mgm3

IndV al Valor del índice de una sustancia

LC50

Concentración acuosa de una sustancia que causa queel 50 % de mortalidad de la carpita cabezonadespués de 95 horas

mgL

MAK − CHMáxima concentración permisible de un sustancia quí-mica en el aire de un lugar de trabajo

mgm3

mHS−S Cantidad específica de desechos sólidos peligrosos kgkg

ṁ Flujo másico kgh

MRS Tasa marginal de sustitución

mS−S Masa específica de desechos sólidos kgkg

MW Masa molecular kgkmol

xviii Nomenclatura


PCOP Potencial de oxidación fotoquímica kgkg

PFCO2 Factor de potencia de equivalentes de CO2kgCO2kg

PFEtileno Factor de potencia de equivalentes de Etileno kgEtilenokg

PFSO2 Factor de potencia de equivalentes de SO2kgSO2kg

PhysV alValor físico que significa un volumen hipotético de aire (oagua) contaminado por una sustancia

m3

kg

PSNúmero de etapas del proceso manipulando solidos parti-culados

Rcode Frase de riesgo del código de la comunidad europea

RSEI Intensidad específica de energía

SHat Toxicidad aguda m3

kg

TIR Tasa interna de retorno

UFunción de utilidad del indicador o categoría de sostenibi-lidad

UA Función de utilidad categoría ambiental

UC Función de utilidad categoría de calidad

UEc Función de utilidad categoría de economía

UEm Función de utilidad categoría de eficiencia

UEn Función de utilidad categoría de energía

UG Utilidad total en términos de indicadores GREENSCOPE

UP Utilidad total del proceso µm

Nomenclatura xix


UTot Utilidad total

Vl−poll Volumen de desechos líquidos contaminados m3

kg

Vl,spec Volumen específico de desechos líquidos m3

V PN Valor presente neto USD

VWT Consumo de agua total m3

Vt,aire−contaminado

volumen hipotético de aire contaminado a una concentra-ción peligrosa o volumen hipotético de equivalente de emi-sión atmosférica a una concentración límite

m3

h

Vt,agua−contaminadavolumen hipotético de equivalentes de evacuación deagua a una concentración límite

m3

h

W Peso relativo del indicador de sostenibilidad

WRM Fracción de material reciclable kgkg

Letras griegas


β Coeficiente estequiométrico

δ Espesor real del recubrimiento de zinc µm

δUNE−η Espesor del recubrimiento de zinc según norma ISO 1461 µm

ρ Densidad kgm3

λ Peso relativo de las categorías de sostenibilidad

λC Peso relativo de la categoría de calidad

xx Nomenclatura


η Calibre de la pieza de acero µm

ωs,recy Fracción de masa reciclable kgkg

Subíndices

Símbolo Término

DEP Desecho del proceso

DEPC Desecho contaminante

DEPL Desecho líquido

DEPL Desecho sólido

MNRE Material que no es recuperable

MRy Material reciclable

PD Producto deseado

Re Reactivo

RL Reactivo límite

Superíndices

Símbolo Término

DEPP Desecho peligroso

in Entrada al sistema

Nomenclatura xxi

Símbolo Término

out Salida del sistema

MRE Material que es realmente recuperado y recirculado al proceso

Introducción

Este documento pretende contribuir al desarrollo y mejora del proceso de galvanizadopor inmersión en caliente, desde una perspectiva que conjugue el desarrollo sostenible y lasostenibilidad, la aleatoriedad inherente al proceso de producción que afecta de una o variasformas la sostenibilidad del proceso, los procesos unitarios que contribuyen en mayor grado aque el procesos sea calificado o no como sostenible, los fenómenos de transferencia asociadoscon la contribución o no del proceso unitario a la sostenibilidad de la linea de producción.

Planteamiento del problema

En el corazón del desarrollo sostenible está la necesidad de considerar en conjunto “trespilares”: la sociedad, la economía y el medio ambiente. Sin importar el contexto, la ideabásica se mantiene la misma y es que tanto personas, hábitats y sistemas económicos estáninterrelacionados. Se puede ignorar la interdependencia por pocos años o décadas, pero lahistoria ha demostrado que al poco tiempo algún tipo de alarma o crisis se activa (Strangey Bayley, 2008).

Por consiguiente, como ya lo mencionan Azapagic y Perdan (2000): “Muchos gobiernos yorganizaciones comenzaron a desarrollar sus propios planes de acción y establecer estrategiaspara el desarrollo sostenible. Muchas de estas están concentradas en el desarrollo sosteniblede la industria”.

De esta manera, la industria del galvanizado por inmersión en caliente, como sistemaque interactúa con los alrededores mediante aspectos económicos, sociales y ambientales, noes ajena a esta realidad. Por tal razón, muchos estudios se han enfocado en entender esteproceso en particular, desde diferentes perspectivas espacio-temporales y teniendo en cuentaal menos una de las líneas base del desarrollo sostenible.

Por ejemplo, desde el punto de vista de la sostenibilidad ambiental, Alzate, Oquendo, yMuñoz (2004) establecen que a lo largo de la línea de producción del proceso de galvanizadoen caliente se generan como material contaminante y peligrosos: humos, gases, vapores,polvos y particulares finos; aguas ácidas, alcalinas, con grasas y aceites, cianuradas y ricasen metales pesados; lodos, cenizas, restos de materias primas, recipientes vacíos y empaques.

Kong y White (2010) proponen que la estrategia de “producción más limpia” es uncamino para reducir los impactos ambientales negativos y alcanzar el desarrollo sosteniblede la industria del galvanizado por inmersión en caliente. De igual forma, Fresner et al.(2007) se enfocan en la disminución de los efectos ambientales, pero esta vez mediante

1

2 Planteamiento del problema

el uso del concepto de “cero emisiones”, mostrando que en una de las cinco plantas deproducción tomadas para el estudio, las implementaciones fueron viables técnicamente perono económicamente. Evidenciando sobre una posible relación de compensación entre losaspectos económicos y ambientales, por lo cual no necesariamente se puede satisfacer ambosobjetivos de forma simultánea.

Como en las investigaciones anteriores, es posible encontrar en la literatura otros estudios,cuyo enfoque es únicamente la dimensión ambiental. Por ejemplo, Karkoszka (2017) hace laevaluación ambiental del proceso de galvanizado mediante el uso de una matriz de riesgosambientales, mientras Benedetti, Baldo, Carlo, y Maglioni (2003) realizan la evaluación delciclo de vida del proceso para definir el nivel de su sostenibilidad ambiental.

Por otra parte, estudios como los realizados por Lobato, Villegas, y Mansur (2015) yRegel-rosocka, Cieszyñska, y Wiœniewski (2007) siguen bajo el enfoque del pilar ambiental,pero esta vez desde una perspectiva de las “tecnologías al final del tubo”, donde en el primerose centran en la gestión de residuos sólidos, en general, en la industria del acero, dandorecomendaciones para el galvanizado en caliente y el segundo en la regeneración de lasolución de decapado del galvanizado en caliente, para que ésta a su vez, se convierta enuna fuente de productos valiosos. De igual forma, otro estudio reportado marca la tendenciaen el uso de la dimensión ambiental para evaluar la sostenibilidad, en el cual mediante laevaluación del ciclo de vida de la producción de acero, se analiza la contribución al impactoambiental del galvanizado por inmersión en caliente (Tongpool, Jirajariyavech, Yuvaniyama,y Mungcharoen, 2010).

Hegyi, Păstrav, y Rus (2015) van más lejos en su estudio, al evaluar el uso de varillas deacero galvanizado por inmersión en caliente en estructuras de concreto, desde la perspectivade la sostenibilidad, teniendo únicamente en cuenta, las dimensiones económica y ambientalen el uso del ciclo de vida del producto. Como en el estudio anterior, otro grupo de autores seenfocan en estos dos pilares, igualmente para mostrar la sostenibilidad del producto obtenidoen el proceso de galvanización, para ser usado en la construcción de instalaciones de energíasalternativas (American Galvanizers Association, 2008) e infraestructuras en general (Tiuc yRus, 2016).

Ahora bien, investigadores como Akamphon, Sukkasi, y Boonyongmaneerat (2012) seenfocan en un análisis de costos, para evaluar la eficacia de una nueva tecnología que ayudaen la reducción del consumo de zinc en el proceso de galvanizado. El estudio demostró quelas ventajas económicas, en cuanto al costo del nuevo proceso con respecto al tradicional,dependía fuertemente del precio del zinc y del área para recubrir (Akamphon et al., 2012),reflejando la importancia de integrar la dimensión económica a la hora de analizar laviabilidad de una nueva tecnología.

Sin embargo, es importante señalar que realizar una evaluación de un proceso o producto,únicamente desde la perspectiva de la dimensión económica, no determina en stricto sensula capacidad de éste para desplazarse hacia un estado de sostenibilidad global. Por ejemplo,

Introducción 3

Hegyi et al. (2015) utilizan solamente el costo de ciclo de vida para establecer la mejoralternativa económica entre diferentes métodos anticorrosivos.

Consideremos ahora, los estudios realizados teniendo en cuenta las tres líneas bases deldesarrollo sostenibles, resaltando que las evaluaciones presentes en la literatura, tienen comoenfoque el producto terminado del galvanizado en caliente y no el proceso de producción.Así, por ejemplo, la American Galvanizers Association (2015) realizan un estudio en el cualprofundiza en el pilar económico, relegando los aspectos ambientales y sociales a evaluacionescualitativas. Por su lado, Melorose, Perroy, y Careas (2015) plantean también una evaluacióncon un enfoque “de la cuna a la tumba”, entrando en detalle en los aspectos ambientales yeconómicos, enfocando el aspecto social a una descripción del beneficio en seguridad queofrece el uso de acero galvanizado estructural.

Por todo esto, queda clara la importancia de implementar los tres pilares del desarrollosostenible para determinar la capacidad que tiene el proceso de producción del galvanizadopor inmersión en caliente, para desplazarse hacia un estado de mayor sostenibilidad. Asímismo, es vital determinar un enfoque espacio-temporal en el proceso de producción, con lafinalidad de entender la sostenibilidad desde el punto de vista de las operaciones unitarias y sudesempeño, permitiendo el planteamiento de estrategias enfocadas en el punto de generacióndel problema, en lugar de analizar las entradas y salidas del sistema con sus posiblesimpactos y alternativas para su gestión. De lo anterior, surgen los siguientes interrogantes:¿Cómo implementar la evaluación de la sostenibilidad enfocada en el proceso de producción,específicamente en el galvanizado por inmersión en caliente?, ¿Cómo detectar los puntos demejora del proceso de producción teniendo en cuenta los tres pilares de la sostenibilidad?,¿Cómo determinar los parámetros y variables que hacen de un proceso unitario un puntocrítico del proceso? En resumen: ¿Cómo obtener información relevante de cada operaciónunitaria del galvanizado por inmersión en caliente, desde el punto de vista del desarrollosostenible, que sea útil para el diseñador y/o ingeniero de proceso?.

Resulta así mismo interesante, tener en cuenta que la sostenibilidad como dato numéricoestá sujeto a medición, por lo cual podría ser vista desde la perspectiva de la metrología, laciencia de la medición, como una medida con incertidumbre asociada (Brandi y Dos Santos,2016). Por otro lado, Piluso, Huang, Liu, y Huang (2010) afirman:

En el direccionamiento de los aspectos temporales y espaciales de un problema desostenibilidad industrial, la eficacia de las evaluaciones depende enormemente en lahabilidad de cubrir las interrelaciones complejas entre las entidades del sistema de estudioy cómo tratar con varios tipos de incertidumbres en los datos técnicos y no técnicosdisponibles, la información y el conocimiento procesado.

Por lo anterior, no sólo es importante tener en cuenta el enfoque espacio-temporalasociado a la sostenibilidad, sino también la incertidumbre asociada a la medición que selleva acabo, no sólo desde los puntos de vista observacional y sistemático, sino tambiéna la aleatoriedad inherente del sistema en estudio. Por ejemplo, Ciuffo, Miola, Punzo, y

4 Justificación

Sala (2012) identifican la incapacidad de muchas actividades de modelamiento disponible dehacer una mímica del mundo, como una de las fuentes de incertidumbre en la evaluación dela sostenibilidad. Así, de lo anterior surgen los siguientes interrogantes: ¿Cómo involucrar laincertidumbre asociada al proceso de medición de la sostenibilidad de un proceso industrial,específicamente del galvanizado por inmersión en caliente?, ¿Cómo afecta la aleatoriedadinherente asociada al galvanizado por inmersión en caliente la sostenibilidad del proceso? y¿Cómo involucrar la aleatoriedad del proceso del galvanizado en el proceso de medición dela sostenibilidad?.

Justificación

La alta demanda y tasa de consumo de materiales y servicios ecológicos para satisfacer lasnecesidades sociales y para disipar las emisiones están excediendo rápidamente la capacidadcon la cual la naturaleza los puede proveer. Para evadir una situación de punto de inflexión,donde los servicios ecológicos puedan ya no estar disponibles, la sociedad debe considerar enadelante una ruta sostenible (Ruiz-Mercado, Smith, y Gonzalez, 2012).

Así mismo, la industria juega un papel importante en la capacidad de la sociedad deorientar su destino hacia la sostenibilidad. Azapagic, Millington, y Collett (2006) afirman:

La industria es una de las partes más importantes de la economía humana. Los sistemasindustriales causan y determinan los flujos de materia y energía a través de la economíahumana. Aunque la industria es a menudo vista como una fuente de degradaciónambiental y consumo de recursos, es ampliamente reconocido que es una parte vital deldesarrollo y creación de valor. Por lo tanto, como un factor social importante, la industriadebe jugar un rol prominente en identificar e implementar opciones más sostenibles.

Por ejemplo, Kong y White (2010) plantean que la tecnología, equipos y la gestiónobsoleta hacen de la industria del galvanizado por inmersión en caliente, una de las industriasque consumen mayor cantidad de materia y energía y producen numerosos contaminantes1.Así mismo, Melorose et al. (2015) plantean:

La galvanización en caliente, el proceso de enlazar metalúrgicamente el zinc al acero,ha sido usado para proteger el acero durante más de 150 años y provee protección dela corrosión libre de mantenimiento por décadas. Continuando con los últimos 300 añosde crecimiento y desarrollo, una revolución del desarrollo sostenible, utilizando el acero

1Según Kong y White (2010) el consumo promedio de energía en una instalación de galvanizado en calientees de 2688MJ/ton. Por otro lado, según Enríquez, Eduardo, y Palacios (2017) el consumo promedio totalde soluciones de desengrase, decapado y fluxado es 0,303m3/ton, el de agua de 0,486m3/ton y el de zincadherido 80kg/ton.

Introducción 5

galvanizado por inmersión en caliente, asegurará que el mundo pueda tener muchos mássiglos de seguridad, crecimiento saludable y desarrollo.

Así pues, es importante plantear herramientas que se enfoquen en la sostenibilidad delproceso de galvanizado por inmersión en caliente, teniendo en cuenta la importancia deesta industria dentro de la sociedad, con una mirada incluyente en la dimensión social,económica y ambiental del desarrollo sostenible, y que a su vez, sirvan como punto de partidapara la toma de decisiones de los diferentes agentes interesados en el proceso productivo,especialmente para los ingenieros de procesos y/o diseñadores, quienes se relacionan deforma directa con éste, y a su vez, ayuden a detectar posibilidades de mejora del proceso,enfocándose directamente en los puntos de generación de los diversos aspectos negativos queinteractúan con el medio circundante.

Objetivos

Objetivo general

Identificar los procesos unitarios críticos del galvanizado por inmersión en caliente desdela perspectiva del incremento de la sostenibilidad global del proceso de producción

Objetivos específicos

Buscar e identificar métodos para la evaluación de la sostenibilidad, desde el punto devista del proceso de producción propuestos en la literatura.

Determinar las variables de entrada y salida de cada operación unitaria y parámetrosaleatorios del galvanizado por inmersión en caliente, que afectan la sostenibilidad delproceso de producción.

Plantear una metodología para la integración entre la aleatoriedad inherente al procesode producción y la evaluación de la sostenibilidad, orientada hacia la detección de lospuntos críticos del galvanizado por inmersión en caliente.

Valorar un proceso en particular de galvanizado por inmersión en caliente, medianteel uso de la metodología planteada.

1. Aspectos teóricos

1.1. Proceso de galvanizado por inmersión en caliente

El acero es el metal estructural de mayor uso pero presenta una gran tendencia a lacorrosión y por ello debe ser protegido. Entre los métodos de protección del acero está elproceso del galvanizado en caliente.

El proceso de galvanización en caliente es el proceso de recubrimiento del acero porinmersión en un baño de zinc fundido. Hay tres etapas fundamentales en el proceso degalvanizado en caliente: preparación de la superficie, galvanizado e inspección (Melorose etal., 2015), ver figura 1-1.

Figura 1-1.: Proceso de galvanizado en caliente (Rodelo Rivera, 2013).

Un prerrequisito para la producción de recubrimientos de zinc de alta calidad, de acuerdocon la ISO 1461 es una superficie limpia metálicamente (Maaß y Peißker, 2011). Para esto,se han distinguido tres métodos de preparación de superficies:

Limpieza con agua, solvente y químicos, incluyendo limpieza con agua a alta presión,chorro de vapor o decapado con ácido.

Preparación de superficie mecánicamente incluyendo chorro abrasivo.

6

Capítulo 1. Aspectos teóricos 7

limpieza en llama.

En la historia de la práctica del galvanizado, la preparación de la superficie vía químicahúmeda ha sido más eficiente e incluye las etapas de: desengrasado, enjuague, decapado,enjuague, fluxado (Maaß y Peißker, 2011), que corresponden al proceso de preparación de lasuperficie descrito en la figura 1-1.

1.1.1. Desengrasado

Consiste en la eliminación de sustancias adherentes y contaminantes, grasas, aceites yceras, esquirlas, residuos de soldadura, polvo, ennegrecidos de carbón, sales, tierra, algas,hongos y bacterias de la superficie metálica ya que éstas impiden la interacción directadel recubrimiento y la superficie de las partes, éstas son saponificadas, emulsionadas ydispersadas (Maaß y Peißker, 2011).

Aunque el desengrasado puede ser tanto ácido como alcalino, éste suele ser una soluciónalcalina caliente (Galvanizers Association of Australia, 2012). Un agente universalmenteempleado para desengrasar, es caracterizado por un pH de 11-14. El desengrasante consisteen un balance, sinergicamente activo de sales inorgánicas y componentes orgánicos. Losquímicos básicos utilizados son hidróxido de sodio, carbonato de sodio, silicatos y fosfato desodio, ellos son usados para la alcalinización, la saponificación de grasas y aceites naturalesy la dispersión de contaminantes insolubles en agua (Maaß y Peißker, 2011). En la tabla 1-1se puede observar información relevante sobre las condiciones de operación de los agentes delimpieza.

La práctica de la galvanización en caliente muestra que por los procesos de limpieza ydesengrase no hay un incremento adicional en los costos de producción. Por el contrario,estos serán reducidos y la calidad del recubrimiento sera mejorada (Maaß y Peißker, 2011).Lo anterior, se debe principalmente a los siguientes efectos:

Un ataque más uniforme y rápido de la solución de decapado y por ende, la reduccióndel tiempo de esta etapa y del riesgo de la fragilidad de hidrocarburos.

Incremento en la calidad de la preparación de la superficie y del recubrimiento de zincpor minimización del enriquecimiento de grasas sobre la superficie de las soluciones delproceso y reducción en los errores del galvanizado.

Minimización de los costos de instalación de filtros de aire y su disposición a lo largo delproceso, doblando su vida útil debido a la minimización de aceite y grasas combustiblestransportadas a lo largo con el flujo de gases de salida, los cuales además condensansobre la superficie de los filtros y los bloquean.

8 1.1. Proceso de galvanizado por inmersión en caliente

No exceder el umbral de dioxinas alcanzado de la combustión de aceites y grasas a latemperatura del baño de zinc.

Tabla 1-1.: Ejemplo de la composición de limpiadores alcalinos (Maaß y Peißker, 2011).

ComposiciónComponentes

Ejemplo 1 Ejemplo 2 Ejemplo 3

Na2CO2 10-20 10-15 20-30

Na3PO4 20-30 20-25 10-20

NaOH 30-40 10-20 -

Na4P2O7 - - 5-15

Na2SiO3 10-20 - -

Agentes complejantes - - 2-4 (EDTA)

Surfactantes Lauril sulfato de sodio - 0,2 (no iónico)

Condiciones de operación

Valor del pH 13-14 12 10-11

Temperatura (oC) 80-90 80-90 70-85

Tiempo de exposición (min) 10-15 10-20 5-15

Notas: Las composiciones de los componentes de los limpiadores alcalinos están en% peso.

1.1.2. Decapado

Es el método eficiente en la preparación de superficies de piezas que van a ser galvanizadasen caliente. Se sumergen las piezas en un baño de ácido clorhídrico al 17% durante 10 a 20minutos con el fin de eliminar herrumbre y escamas (Maaß y Peißker, 2011; IDU (Institutode desarrollo urbano) y Cámara Fedemetal, 2011)

1.1.3. Enjuague

El enjuague atenúa la capa líquida que resulta de las soluciones del proceso y que seadhieren a las piezas tratadas. Esto requiere una suficiente cantidad de agua, sin embargo nomás de la necesaria para asegurar un reciclaje exitoso del agua de lavado (Maaß y Peißker,2011).

Medidas esenciales para la reducción óptima del agua de consumo son:

Minimización del remanente de soluciones del proceso dentro del enjuague, tiempo de


inmersión de 40-50s.

Cálculo del agua de lavado y determinación de la tecnología adecuada.

Balance del flujo volumétrico.

1.1.4. Fluxado

Su función es activar el producto decapado y enjuagado para ser galvanizado, de formaque sea posible una reacción rápida y homogénea con el zinc fundido (Maaß y Peißker, 2011).

Como fluxado se utiliza una mezcla de sales de ZnCl2/NH4Cl. En la práctica sesuele emplear las concentraciones eutécticas de estas sales o mezcla de sales, las cualescorresponden a 12% y entre 26-27% en peso de NH4Cl para la primera y segunda mezclaeutéctica, respectivamente (Maaß y Peißker, 2011). El tiempo para el proceso con el fluxadoes de 10 a 20 minutos (IDU (Instituto de desarrollo urbano) y Cámara Fedemetal, 2011).

1.1.5. Secado

Después del fluxado, las partes tratadas se secan de 120− 150oC y luego son sumergidasen un baño de zinc en una condición seca, como en el proceso presentado en la Figura 1. Elrefinado del decapado por medio del fluxado, llamado activación, inicia durante el proceso desecado mediante un complejo que contiene zinc y cloro. Durante esta etapa también se formaácido clorhídrico por las altas temperaturas (Galvanizers Association of Australia, 2012).

1.1.6. Galvanizado en caliente

Hay dos formas de hacer esta etapa del proceso:

Método continuo (cables y láminas de acero).

Método discontinuo (cortes de perfil, partes de construcción y partes pequeñas).

Sin entrar en detalles sobre los dos métodos anteriores (continuo y discontinuo), sepuede decir que en el galvanizado en caliente, las piezas de acero, después de pasar porlas etapas de preparación de la superficie, son sumergidas en un baño de zinc fundido a una

10 1.1. Proceso de galvanizado por inmersión en caliente

temperatura que a de 450 a 460oC y con una pureza mínima de zinc al 98%. Las piezas deacero son descendidas con un ángulo que permita que el aire escape de las formas tubulareso compartimientos que están incluidos en el diseño de las piezas fabricadas (Melorose et al.,2015; Maaß y Peißker, 2011; Galvanizers Association of Australia, 2012).

Aproximadamente de 5 a 7 minutos de completada la inmersión (dependiendo del tamañode los artículos), el acero alcanza la temperatura del baño de zinc y la reacción metalúrgicaes completada (Galvanizers Association of Australia, 2012).

En la figura 1-2 se puede ver que el recubrimiento producido tiene diferentes capas dealeaciones zinc-hierro con una capa superior se zinc puro, la cual es resultado de remover lapieza del baño de zinc (Galvanizers Association of Australia, 2012).

Figura 1-2.: Microestructura del recubrimiento de zincproducido en el galvanizado en caliente (RodríguezGalbarro, 2018).

1.1.7. Enfriamiento e inspección

Después de Galvanizar el material, es necesario sumergirlo en agua a temperaturaambiente, esto con el fin de que se enfríe y así poder inspeccionarlo (IDU (Instituto dedesarrollo urbano) y Cámara Fedemetal, 2011).

La última etapa es una inspección del recubrimiento. Una determinación muy precisa dela calidad del recubrimiento puede ser lograda por inspección visual. Lo cual es posible, ya queel zinc no reacciona con acero contaminado, lo cual llevaría a un área sin recubrimiento sobrela pieza. Adicionalmente, un medidor de espesor magnético puede ser usado para verificarsi el espesor del recubrimiento cumple con las especificaciones (Melorose et al., 2015). Laspiezas que no cumplen con la calidad apropiada son llevadas al proceso de decapado paracomenzar nuevamente el proceso.


1.2. Panorama general del galvanizado en caliente

El principal objetivo del galvanizado es proteger la superficie metálica de la corrosión.La corrosión produce anualmente a nivel mundial pérdidas económicas irreversibles y enColombia, la pérdida anual es del 3% del PIB. Según el IDU (Instituto de desarrollo urbano)y Cámara Fedemetal (2011), aunque el zinc es ampliamente utilizado en la industria, cercadel 50% de éste es empleado a nivel mundial en el proceso de galvanizado en caliente, dejandoclara la importancia de este proceso.

Debe señalarse, que según la Asociación de Empresarios de Colombia (ANDI) y elInstituto de Desarrollo Urbano (IDU) en la “Guía Práctica de Galvanizado por Inmersiónen Caliente", en Colombia para el año 2013 se contaban con 22 plantas de galvanizado encaliente general y 7 plantas de galvanizado en continuo (IDU (Instituto de desarrollo urbano)y Cámara Fedemetal, 2011). En la tabla 1-2 se puede observar la distribución de estas 29plantas y el tipo de método de galvanizado que usan. No obstante, aunque en Colombia secuenta con 29 plantas de galvanizado, la razón entre los kilogramos de acero galvanizado ylos kilogramos de acero consumido es tan sólo cercana al 0,025 (Beltrán Céspedes, 2014).

Tabla 1-2.: Identificación de ciudades en Colombia con plantas de galvanizado encontinuo y discontinuo, con base a (IDU (Instituto de desarrollo urbano) y CámaraFedemetal, 2011).

Bogotá Barranquilla Neiva Medellín Bucaramanga Sogamoso Cali

GalvanizadoGeneral

9 5 1 3 2 1 1

GalvanizadoContinuo

5 2 0 0 0 0 0

De allí pues, la importancia de tener en cuenta los riesgos ambientales asociados al uso delgalvanizado en caliente: Alzate et al. (2004) realizan una matriz de impactos ambientales paraprocesos electrolíticos. Donde se puede observar que este tipo de proceso genera emisionesatmosféricas, efluentes contaminantes y residuos sólidos, que también son característicos delproceso de galvanizado en caliente. En la figura 1-3 se puede ver la matriz de impactosambientales, dejando claro cuáles son los aspectos ambientales de cada etapa del proceso.Asimismo, la figura 1-4 trasmite con claridad las entradas y salidas del galvanizado encaliente al mirar éste como sistema bajo estudio, con fronteras claras en un análisis centradoen el proceso de producción.

Es importante tener en cuenta lo anterior, ya que en Colombia es menester que lasempresas cumplan con lo establecido en la Resolución 0631 del 17 de Marzo de 2015 delMinisterio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, sobre parámetros fisicoquímicos en losvertimientos puntuales de aguas residuales y la Resolución 0909 del 5 de Junio de 2008,

12 1.2. Panorama general del galvanizado en caliente

del mismo ente, sobre emisiones admisibles de contaminantes atmosféricos. Así, como loestablecido en el Decreto 4741 de 2005 que reglamenta el manejo del RESPEL (ResiduosPeligrosos), entre otras políticas de regulación establecidas en Colombia.

Figura 1-3.: Matriz de impacto ambientalpara procesos de recubrimiento electrolítico(Alzate et al., 2004).

Figura 1-4.: Preocupación sobre el desempeño ambiental del galvanizado en caliente.


1.3. Sostenibilidad y desarrollo sostenible

1.3.1. Desarrollo sostenible

Para entender la definición del desarrollo sostenible, es importante primero definir quées desarrollo, el cual se entiende como el acto o proceso de desarrollarse, crecer y progresar.De esta manera, el desarrollo sostenible, es un desarrollo que satisface las necesidades delpresente sin comprometer la habilidad de futuras generaciones para satisfacer sus propiasnecesidades (Strange y Bayley, 2008).

El término de desarrollo sostenible comenzó a ganar amplia aceptación a finales de los80s del siglo XX, después de su aparición en Our Common Future en 1987, también conocidocomo The Brundtland Report (Strange y Bayley, 2008). “The Brundtland Report señaló laurgencia de repensar nuestra forma de vivir y gobernar” (Strange y Bayley, 2008).

Es importante resaltar lo señalado por Strange y Bayley (2008) que “en el corazón deldesarrollo sostenible está la necesidad de considerar juntos “tres pilares”: la sociedad, laeconomía y el medio ambiente”, con lo cual han estado de acuerdo muchos autores desde laEarth Summit en Rio de Janeiro en 1992 (Azapagic y Perdan, 2000), ver figura 1-5.

Figura 1-5.: Las tres dimensiones del desarrollosostenible y su interacción. Adaptada a partir deRuiz-Mercado et al. (2012) en Creately.

Así, el desarrollo sostenible está basado sobre la integración: desarrollarse en una formaque beneficie el rango más amplio posible de sectores, cruzando fronteras e incluso entre

14 1.3. Sostenibilidad y desarrollo sostenible

generaciones. En otras palabras, nuestras decisiones deben tomar en consideración losimpactos potenciales en la sociedad, el ambiente y la economía, mientras mantiene enmente que: nuestras acciones tendrán impactos en otros lugares y nuestras accionestendrán un impacto en el futuro (Strange y Bayley, 2008).

De esta forma, según Strange y Bayley (2008) “Hay la constatación que el crecimientoeconómico solo no es suficiente: los aspectos económicos, sociales y ambientales de algunasacciones están interconectadas. Considerando sólo uno de estos a la vez conduce a errores enjuicios y resultados insostenibles”.

1.3.2. Sostenibilidad

“El concepto de sostenibilidad es complejo; sin embargo, es posible extraer alguna de suscaracterísticas más básicas y generales por adoptar una aproximación sistémica” (Gallopin,2001). Entonces es importante tener en cuenta que un sistema es una porción aislada deluniverso que interactúa con sus alrededor mediante diferentes tipos de flujos, por ejemplode masa y energía, económicos, entre otros. Por lo tanto, “lo que el sistema hace, sucomportamiento, depende no sólo del sistema en sí, sino también de los factores, elementoso variables que vienen desde el ambiente del sistema y lo afectan” (Gallopin, 2001).

“Así, el estado del sistema (el conjunto de valores adoptados por todas las variables delsistema) en un tiempo dado, será determinado por los estados previos del sistema y porlas entradas recibidas por el sistema en el último periodo de tiempo” (Gallopin, 2001). Loanterior puede ser expresado matemáticamente como sigue:

St+1 = F (St, It)

Ot+1 = G (St, It)(1-1)

“Donde S es el estado del sistema, I es el vector de entrada (la lista de todas las variablesde entrada) a el sistema, O es el vector de salida desde el sistema, y F y G son funciones. Elsubíndice t se establece para el tiempo” (Gallopin, 2001). Entonces la sostenibilidad puedeser definida como:

V (Ot+1) ≥ V (Ot) (1-2)

“Donde V es una función de valoración de las salidas del sistema, es decir, un sistemasostenible es un sistema para el cual el “valor” neto, no necesariamente en términoseconómicos, de las salidas producidas no es decreciente en el tiempo” (Gallopin, 2001).


1.3.3. Desarrollo sostenible v.s. sostenibilidad

Aunque algunas veces la sostenibilidad es presentada significando como la conservaciónde un estado fijo de un sistema, la sostenibilidad no debe ser vista como una constancia;incluso los ecosistemas están en permanente cambio, involucrando renovación y destrucciónde componentes, adaptando cambios en su ambiente y desenvolviéndose con éste (Gallopin,2001).

Sostenibilidad es la habilidad de un sistema humano, natural o híbrido, para resistiro adaptarse a cambios endógenos o exógenos indefinidamente, y, en adición, desarrollosostenible es la forma de un cambio y mejora intencional de mantener o incrementarestos atributos del sistema satisfaciendo las necesidades de la población. En una primeraperspectiva, desarrollo sostenible es la forma de alcanzar la sostenibilidad, a su vez, lasostenibilidad es la última meta a largo plazo (Sartori, Latrônico, y Campos, 2011).

1.3.4. Incertidumbre asociada a la evaluación de la sostenibilidad

“Las incertidumbres detrás de la comprensión de nuestro mundo son probablemente tanaltas como para permitirnos presumir siempre proveer respuestas claras y certeras sobre quées sostenible y qué no” (Ciuffo et al., 2012).

Según Ciuffo et al. (2012), es posible identificar tres fuentes principales de incertidumbreen la evaluación de la sostenibilidad:

El concepto de desarrollo sostenible y la definición de las fronteras (físicas, económicasy sociales) para evaluar ésta.

La subjetividad intrínseca de muchas herramientas de evaluación.

La incapacidad de muchas actividades de modelamiento para mimetizar nuestromundo.

Es importante resaltar que Ciuffo et al. (2012) establecen que la incertidumbre, tantodel modelo y como de las entradas, es propagada en las salidas, tal incertidumbre debeser evaluada y cuando sea posible, reducida. De hecho, un modelo incluyendo una cantidaddesproporcional de incertidumbre y así retornando resultados inviables que no tendrán unautilidad práctica para el analista.

Cabe señalar que los procesos de manufactura no son de carácter estacionario, yaque realmente a lo largo de la línea de producción se experimenta un comportamiento

16 1.3. Sostenibilidad y desarrollo sostenible

dinámico en cada proceso unitario, debido a la variación de las condiciones de operacióny al comportamiento aleatorio del los flujos que entran al proceso, llevando a cambios en lasalida de éste con respecto a lo esperado. Por lo anterior, se puede decir que hay tambiénuna variabilidad o dispersión inherente al proceso.

Para concluir, desde el punto de vista de la metrología es importante considerar laincertidumbre asociada al instrumento al momento de medir la sostenibilidad, a los criteriosde observación dados por los tomadores de decisión y a la naturaleza misma del proceso degalvanizado.

2. Metodología para la evaluación dela sostenibilidad

2.1. Método para evaluar la sostenibilidad del proceso

Con base a Azapagic y Perdan (2000) las métricas y análisis de sostenibilidad se puedenclasificar de acuerdo al tipo de estudio que se desee realizar, clasificando estos en tres tipos,de acuerdo al sector al cual está orientado: productos, procesos y compañías. Así mismo, deacuerdo a Martins, Mata, Costa, y Sikdar (2007), se puede decir que los indicadores y estudiosde sostenibilidad pueden ser clasificados según el número de dimensiones del desarrollosostenible que sean abarcadas: una dimensión (1D), con un enfoque económico, ambientalo social; dos dimensiones (2D) enfocados en las intersecciones entre dos de las tres lineasbases del desarrollo sostenible, teniendo así una perspectiva socio-ecológica, socio-económicao económica-ecológica; y tres dimensiones (3D), en el cual se habla del solapamiento de lostres pilares, siendo así un análisis de desarrollo sostenible.

Por otro lado, es importante tener en cuenta lo descrito por Smith, Ruiz-Mercado, yGonzalez (2014a) y Smith, Ruiz-Mercado, y Gonzalez (2014b), sobre la dimensión espacialdel análisis; siendo importante tener en consideración, si la información aguas arriba o abajode una instalación de un proceso o manufactura de un producto será omitida, siendo ésteun análisis a nivel del proceso, de lo contrario se estará más allá de este nivel de detalle yes importante decidir si serán tenidas en cuenta las interacciones de las salidas y entradasde una instalación con el ecosistema, es decir, si el objetivo es entrar en detalle sobre losrecursos naturales y bienes y/o servicios ecológicos. De lo anterior, hablamos de 3 niveles dedetalle espacial en el análisis de sostenibilidad. Por último, cabe mencionar que de acuerdo aMarshall y Toffel (2005) es importante no sólo tener en cuenta la escala espacial del estudio,sino también la temporal.

2.1.1. Revisión de métodos de evaluación de sostenibilidad deprocesos

En esta sección se presentan los métodos para evaluar la sostenibilidad de procesos y queson parte de una búsqueda más amplia, orientada también a analizar compañías y productosdesde la misma perspectiva. Los artículos fueron obtenidos mediante el uso de las ecuacionesde búsqueda “Sustainability .AND. Assessment .OR. (Framework .OR. Impact .OR. Risk)”y “Sustainable Development .AND. Assessment” en los campos de palabras claves, títulodel artículo y/o resumen. La búsqueda fue realizada en las bases de datos Scopus, Webof Science, Scielo, ACS (American Chemical Society) y Science Direct. La estrategia de

17

18 2.1. Método para evaluar la sostenibilidad del proceso

búsqueda consistió de 4 filtros: (1) ecuación y parámetros de búsqueda, (2) acceso a lainformación, (3) “skimming” y (4) aporte del artículo al objetivo principal de la búsqueda.En las secciones 2.1.1.1 a 2.1.1.3 se organizan los artículos de acuerdo a lo descrito porMartins et al. (2007) y en la sección 2.1.2 se describe la metodología de evaluación de lasostenibilidad empleada en este trabajo.

2.1.1.1. Métodos 1D

Cabezas, Bare, y Mallick (1999) usan ecuaciones de conservación de impactos ambientalespotenciales en las entradas y salidas de procesos e incorporan un conjunto de indicadores,los cuales son divididos en dos categorías principales: impactos ambientales potencialesemitidos e impactos ambientales generados. Así, crean el algoritmo de acceso libre WAR(Waste Reduction); usado para la evaluación de impactos ambientales y cambios en procesosquímicos. Young y Cabezas (1999) extienden el algoritmo WAR para incorporar los impactosambientales del consumo de energía en los procesos químicos y diferenciar entre productosy no productos. Halim y Srinivasan (2000) proponen ENVOPExpert para detectar ydiagnosticar generación de residuos en procesos químicos e identificar alternativas especificaspara su reducción. Vervaeke (2012) presenta el software SimaPro5 para la evaluación fácily rápida del ciclo de vida tanto de productos como de procesos; la herramienta ofrece unacarta del proceso, una evaluación de impactos y un análisis de inventario del ciclo de vida,bajo lo establecido en la norma ISO 14040.

Andraos (2005) cuantifica el desempeño “verde” de reacciones químicas usando métricasde química verde e introduce el factor estequiométrico como nueva métrica para reacciones.DeVierno Kreuder et al. (2017) establecen métricas basadas en los 12 principios de laquímica verde para evaluar substancias y procesos químicos y agrupan estos principios enlas categorías de uso mejorado de recursos, incremento de la eficiencia energética y reducciónde peligros ambientales y humanos; y consideran el sistema globalmente armonizado parala clasificación y etiquetado de químicos. Por otra parte, Rogers y Seager (2009) superaránel problema de normalización y pesado de la evaluación tradicional de impactos del ciclo devida, mediante el SMA-LCIA (Stochastic Multiattribute Life Cycle Impact Assessment),aproximación que puede ser también usada para evaluar la sostenibilidad ambiental deproductos.

Zhang, Singh, y Bakshi (2009) mediante una revisión de literatura, determinan queningún método para evaluar el ciclo de vida de procesos involucra el rol de ecosistema, asídando las bases para que Zhang, Baral, y Bakshi (2010) desarrollen Eco-LCA (EcosystemLife Cycle Approach) que incluye el rol directo e indirecto del ecosistema, mediante métricasorganizadas jerárquicamente que ayudan a entender el rol de bienes y servicios ecológicos;así mismo, utilizan los conceptos de consumo ecológico exergético acumulativo (emergía) yconsumo industrial exergético acumulativo, conceptos que también son usados por Baral yBakshi (2010), junto al concepto de valor calorífico, para adicionar los recursos naturales en elciclo de vida; método que igualmente puede ser orientado hacía la evaluación de compañías.

Capítulo 2. Metodología para la evaluación de la sostenibilidad 19

Por su parte, Yang, Yang, Kraslawski, y Qian (2013) extienden las métricas de Eco-LCA paraincorporar el consumo indirecto de recursos y diferenciar cuantitativamente la disponibilidadde recursos y la efectividad económica del proceso. Similarmente, Dai, Chen, y Sciubba (2014)toman en cuenta la exergía material y exergía equivalente de las externalidades, desde laproducción hasta el consumo; igualmente, consideran los factores de capital y labor. Por loque se refiere a Sekulic, Nehete, Yu, y Fu (2014), utilizan métricas que miden el margenentre una situación objetivo y actual del uso de la energía en procesos.


Khan, Natrajan, y Revathi (2001) presentan GreenPro para ayudar en el diseño deprocesos en las etapas iniciales (selección de rutas, diseño conceptual y diseño del proceso).GreenPro incorpora la evaluación y minimización de impactos ambientales e implementa losprincipios de evaluación del ciclo de vida en conjunto con objetivos económicos y técnicos;y a su vez, ayuda en la optimización multi-objectivo y análisis de decisión multi-criterio.Luego, Khan, Sadiq, y Husain (2002) modifican GreenPro a GreenPro-I para ir más allá dela primera etapa de diseño y ser menos sensible a la confiabilidad de los datos. En cuanto aHalim y Srinivasan (2002), utilizan ENVOPExpert y el algoritmo WAR junto a un análisiseconómico del proceso, para realizar un estudio de minimización de residuos.

Bengtsson (2004) presenta el método BASF desarrollado desde 1996 con base a la normaISO 14040. Este método se emplea para el análisis económico-ecológico o de eco-eficiencia ypermite un análisis “de la cuna a la tumba”, tanto de productos como de procesos, clasificandolos impactos ambientales en consumo de energía, consumo de recursos, use de la tierra,emisiones en la atmósfera, agua y suelo, potencial de toxicidad de substancias liberadas yusadas, y potencial de riesgo.

Fan et al. (2007) buscan evaluar el potencial de sostenibilidad de rutas alternativas deprocesos químicos, organizando éstas jerárquicamente; para lo cual, emplean como métricasla disipación de exergía, la rentabilidad potencial y el índice de toxicidad. En relación conCoss, Rebillard, Verda, y Le Corre (2016), buscan optimizar servicios de energía (aislamientotérmico y calefacción) basados en el análisis de energía, la huella de carbono, la emergía, elcosto de inversión y el costo operacional.


IChemE (2002) introduce un conjunto de 49 indicadores agrupados en tres gruposprincipales de métricas: ambiental, social y económico, para medir la sostenibilidad decualquier unidad de operación. De igual modo, Prasertsubpakij y Nitivattananon (2013)presentan el indicador de sostenibilidad FEEM (Fondazione Eni Enrico Mattei), que compara


la sostenibilidad a lo largo de diferentes escenarios políticos. En particular, el FEEM estácompuesto por 19 indicadores que abarcan las 3 dimensiones del desarrollo sostenible.

Gonzalez y Smith (2003) introducen GREENSCOPE, metodología que organizasus indicadores con base a 4 categorías: ambiental, eficiencia, energía y economía.GREENSCOPE es de gran utilidad para la evaluación de procesos químicos e incorpora losprincipios de la química e ingeniería verde. Martins et al. (2007) presentan una estructura demétricas de sostenibilidad para la industria de procesos, particularmente industria química,la estructura usa indicadores 1D, 2D y como indicadores 3D involucra la intensidad materialy de energía, riesgo químico e impacto ambiental potencial; adicionalmente usan análisisde costos para evaluar cambios en la configuración del proceso. Así mismo, Li, Zanwar,Jayswal, Lou, y Huang (2011) desarrollan una herramienta para evaluar la sostenibilidad deprocesos químicos y de producción de energía, involucrando los conceptos sociales medianteindicadores de seguridad inherente, de eficiencia mediante el uso de exergía, ambientalesmediante el uso del algoritmo WAR y económicos mediante el VPN y la TIR. Jia, Li, Wang,y Qian (2015) integran la evaluación de sostenibilidad en procesos químicos, mediante eldesarrollo de una metodología holística que tiene en cuenta la configuración del proceso yque posee 9 indicadores ambientales, 3 económicos y 9 de seguridad inherente.

Azapagic et al. (2006) plantean un marco conceptual para incorporar la sostenibilidaden el diseño de procesos a lo largo de las etapas de iniciación del proyecto, diseño preliminar,diseño detallado y diseño final. Así mismo, Sugiyama, Fischer, Hungerbuhler, y Hirao (2009)introducen una herramienta para evaluar la sostenibilidad en la industria química, en lasetapas iniciales de diseño (química del proceso y fase de diseño conceptual), involucrandoindicadores cuantitativos para la evaluación económica, para los impactos ambientales en elciclo de vida e indicadores EHS (Environment, Health & Safety) y cualitativos para evaluaraspectos técnicos. Othman, Repke, Huang, y Wozny (2010) aportan una herramienta para latoma de decisiones sobre el diseño más deseable de un proceso, teniendo en cuenta indicadorescuantitativos para los aspectos económicos y ambientales e indicadores cualitativos para ladimensión social, y conforman una estructura jerárquica basada en la importancia percibidao relevancia de los indicadores. Zheng, Lou, Gangadharan, y Kanchi (2012) incorporan lasostenibilidad en el diseño y acondicionamiento de procesos químicos, mediante la selecciónde rutas de reacción, eliminando las peores alternativas con la ayuda del potencial derentabilidad, la energía libre de Gibbs, los indicadores de seguridad inherente, la economíaatómica y los indicadores de potencial ambiental.

Naidu, Sawhney, y Li (2008) presentan un marco para evaluar la sostenibilidad deprocesos de nanomanufactura, agrupando las métricas de proceso y seguridad, en métricasde ingeniería industrial y química verde; precisamente, con un total de 6 indicadores enla primera y 8 en la segunda, respectivamente. Adicionalmente, usan el algoritmo WARy NAIADE (Novel Approach to Imprecise Assessment and Decision Environments), esteúltimo para el manejo de métricas cualitativas o difusas. Por su parte, Schuch Bork, deSouza, de Oliveira Gomes, Venancio Pappetti Canhete, y De Barba Jr. (2014) presentan unaherramienta metodológica para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos, medianteimpactos ambientales, sociales, económicos y tecnológicos, organizando los indicadores en


una estructura jerárquica de 3 niveles: métricas individuales tanto objetivas y subjetivas,sub-índice e índice de sostenibilidad.

Piluso et al. (2010) plantean una metodología para evaluar la sostenibilidad basadaen lógica difusa que maneja tanto la incertidumbre aleatoria como epistémica, teniendoen cuenta los tres pilares del desarrollo sostenible. De igual modo, Liew, Hassim, y Ng(2014) y Liew, Hassim, Ng, y Chemmangattuvalappil (2015) evalúan rutas de producción debiodiesel en las etapas de investigación y desarrollo, utilizando optimización multi-objetivoy métodos de optimización difusa, integrando rendimiento económico e indicadores EHS.Igualmente, Liew, Hassim, y Ng (2016b) involucran las mismas herramientas, pero enfocadasespecíficamente en procesos químicos en presencia de incertidumbre. Similarmente, Liew,Hassim, y Ng (2016a) utilizan estas mismas herramientas para la selección del tamaño detubos y tipo de fijador en las líneas, los cuales son de gran importancia en la etapa de diseñode ingeniería en el desarrollo de rutas de procesos químicos. Por su parte, Brandi y Dos Santos(2016) adoptan procedimientos de metrología en la sostenibilidad, basados en lo establecidopor la GEUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement), junto el métodode Monte Carlo y un análisis de sensibilidad, para indicar cuales son los indicadores másimportantes del modelo; cabe aclarar que esta metodología funciona también para evaluarcompañías y productos.

Neuman y Churchill (2011) proponen un modelo para medir la sostenibilidad, adaptandoe integrando la primera y segunda ley de la termodinámica con teorías de procesos cinéticos,económicos, ecológicos, tecnológicos y sociales; permitiendo su aplicación al campo de laquímica, ingeniería química y ecología. Por su lado, Lim y Biswas (2015) proponen unaaproximación holística para evaluar la sostenibilidad de la producción del aceite de palma enMalasia; dividiendo las dimensiones del desarrollo sostenible en áreas claves de impacto; así,se tiene que el objetivo ambiental tiene 5 áreas de impacto claves con 9 métricas, mientrasel económico 3 áreas claves con 4 métricas y el social 3 áreas con 9 indicadores.

Carvalho, Matos, y Gani (2013) presentan el software SustainPro-A para ser aplicado enprocesos químicos tanto continuos como “batch”. SustainPro-A está dividido en tres partes:análisis de indicadores, evaluación, y generación y comparación de alternativas, ayudandoen un análisis sistemático de diseño sostenible. Como resultado, Ruiz-Mercado, Carvalho, yCabezas (2016) usan GREENSCOPE, el algoritmo WAR y SustainPro para la mejora de laadministración de materiales y sistemas de manufactura.

Aliabadi y Huang (2016) utilizan análisis de vectores en 3D, para evaluar la transiciónhacia la sostenibilidad de un proceso y utilizan un parámetro llamado ángulo de desequilibrio,para cuantificar el balance entre las 3 dimensiones del desarrollo sostenible; la metodologíapermite al tomador de decisión seleccionar la mejor ruta para alcanzar el mismo estadode sostenibilidad. Igualmente, Moradi-Aliabadi y Huang (2016) integran análisis vectorial;usando los indicadores de sostebilidad de IChemE (2002) y los de la AIChE presentados enCobb, Schuster, Beloff, y Tanzil (2007). Adicionalmente, Moradi-Aliabadi y Huang (2016)proponen cuatro tipos de optimización: máxima mejora de la sostenibilidad, mínimo costo,


eficiencia máxima y tiempo mínimo; y emplean algoritmos genéticos y simulación MonteCarlo para derivar soluciones y calcular el valor esperado de la función objetivo.

Bhanot, Rao, y Deshmukh (2016) desarrollan un marco para evaluar la sostenibilidadde procesos de maquinado, específicamente torneado en húmedo y seco, dividiendolas dimensiones ambiental, social y económica, en 5, 4 y 4 categorías de indicadores,respectivamente. Por otro lado, aplican la metodología de Taguchi para producir condicionesde operación y análisis relacional gris para integrar las mediciones. Mientras tanto,Valdez-Vazquez, Sánchez Gastelum, y Escalante (2017) proponen una estructura parala evaluación de sostenibilidad de sistemas de producción de bio-energía para superarlas restricciones globalmente aceptadas; por lo cual, usan 7 indicadores económicos, 10ambientales y 11 sociales, usan el método de pesado basado en la distancia a un caso deseadopara normalizar, y seleccionan los pesos con base a la importancia que dan los evaluadoresy partes interesadas.

2.1.2. GREENSCOPE

Gonzalez y Smith (2003) presentan la metodología GREENSCOPE (Gauging ReactionEffectiveness for the ENvironmental Sustainability of Chemistries with a Multi-ObjectiveProcess Evaluator), desarrollada por la oficina de investigación y desarrollo de la Agenciade Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA, U.S. Environmental ProtectionAgency). GREENSCOPE fue desarrollada desde un inicio “para evaluar la sostenibilidadde procesos que emplean varios químicos o tecnologías” y para “responder dos preguntas:¿es una alternativa verde? y ¿es una alternativa sostenible?” (Smith y Gonzalez, 2004), yaque “la esencia de la ingeniería y química verde es un foco en los efectos ambientales. Sinembargo, un foco más grande es necesario para que las sustancias químicas y tecnologíassean usadas, es decir, ellas deben ser sostenibles” (Gonzalez y Smith, 2003).

En consecuencia, GREENSCOPE es una herramienta metodológica, centrada en losprocesos químicos, cuya taxonomía está basada en un conjunto de 140 indicadores desostenibilidad fuertes, es decir cuantitativos, que permiten realizar una evaluación “puerta apuerta” del proceso.

Muchas personas clasifican los indicadores de sostenibilidad de acuerdo a tres áreasprincipales: ambiental, económica y social. Esta categorización general es efectivapara describir la evaluación de sostenibilidad en el nivel corporativo; sin embargo,para propósitos de diseño es necesario una subclasificación adicional explicada por ladiferencia entre indicadores dentro de una de estas tres áreas. Por ejemplo, cuandolos requerimientos de energía y materia del proceso son incluidos como indicadoresambientales, se relacionan el uno con el otro. Pero ellos deben ser observadosindependientemente para una identificación clara de cuál unidad de operación,especificación del proceso y/o condición de operación del proceso requiere ajustes en


términos de transferencia de masa y energía (o ambos fenómenos) para mejorar lasostenibilidad del proceso (Ruiz-Mercado et al., 2012).

Debido a esto, GREENSCOPE clasifica los indicadores de sostenibilidad en cuatrocategorías: (a) medio ambiente: la cual tiene en cuenta los principios de la química eingeniería verde para prevenir la contaminación; (b) eficiencia: la cual está relacionadacon la utilización de la materia en un proceso o operación unitaria, reconociendo la químicaque subyace una reacción química o tarea específica (como una separación); (c) energía:la cual tiene en cuenta la demanda de energía en el proceso, bajo la premisa de quejusto en el uso de la energía radica una parte substancial del costo del proceso y (d)economía: cuya importancia radica en que para que un proceso pueda existir debe serprimero económicamente sostenible . Por otro lado, según Ruiz-Mercado et al. (2012):

El área social es una parte fundamental que debe ser considerada para medir el impactode productos y procesos químicos con el fin de mejorar la calidad de vida de la sociedad(desarrollo sostenible) (...). Estos indicadores sociales resultan tener relevancia crítica enel nivel corporativo para visualizar y transmitir los costos intangibles asociados con losefectos EHS (Environment, Health & Safety), imagen del negocio y la percepción por lasociedad. Sin embargo, los indicadores de percepción de imagen son subjetivos, basadosen criterios relativos que no son fáciles de medir.

No obstante, GREENSCOPE dentro del área ambiental incluye los indicadores fuertesrelacionados con los efectos EHS. Por otro lado, GREENSCOPE califica o normaliza losindicadores usando una escala de sostenibilidad para cada indicador i, teniendo en cuentael peor y mejor escenario (o escenario objetivo). La ecuación 2-1 muestra el método denormalización de la metodología.

%Gi =|Ii − Ipeor,i|

|Imejor,i − Ipeor,i|∗ 100 % (2-1)

En último lugar, GREENSCOPE ha demostrado ser una herramienta útil tal comomuestran Smith y Gonzalez (2004) en la evaluación de alternativas para la oxidación detolueno; Ruiz-Mercado, Gonzalez, y Smith (2013) en el estudio de alternativas para laproducción de biodiesel; Smith et al. (2014a) en la incorporación de GREENSCOPE enel currículo de ingeniería química desde el aprendizaje de ingeniería de sistemas de procesos(PSE, Process Systems Engineering); Smith et al. (2014b) en la optimización del procesode oxidación de tolueno en solvente de ácido acético; Smith y Ruiz-Mercado (2014) para latoma de decisión multiobjetivo en la producción química de ácido tereftálico; Ruiz-Mercado,Gonzalez, y Smith (2014) expandiendo GREENSCOPE más allá de un análisis “puerta apuerta” usando la perspectiva de la evaluación del ciclo de vida y Ruiz-Mercado et al. (2016)incorporando GREENSCOPE con otras 2 herramientas en la producción de amoniaco desdeuna perspectiva de la ingeniería y química verde.

24 2.2. Método para la toma de decisión multiobjetivo

2.2. Método para la toma de decisión multiobjetivo

Anteriormente, en el planteamiento del problema, se dejó claro que entre las treslíneas bases del desarrollo sostenible y por ende entre las categorías de la metodologíaGREENSCOPE, puede existir una relación de compensación, lo cual ocurre también conlos 18 indicadores seleccionados (ver sección 2.6). Smith y Ruiz-Mercado (2014) adviertentambién sobre la inconmensurabilidad de los indicadores, debido a la diferencia en susunidades de medida. Por tal razón, es necesario implementar un proceso que ayude en latoma de decisiones con múltiples objetivos.

De los métodos disponibles para la toma de decisiones multiobjetivo, uno de los máscomunes es el método de utilidades aditivas. Utilidad es un término para valor (ohabilidad para satisfacer un deseo). De manera que cada uno de los objetivos (o deseos)tiene su propia utilidad, o aquí, su propia puntuación de utilidad (Smith y Ruiz-Mercado,2014).

UTot (I1, ..., Im) =m∑i=1

Wi × Ui (Ii) (2-2)

m∑i=1

Wi = 1 (2-3)

La ecuación 2-2 representa la manera de poner en un sólo termino las utilidades. “Lafunción de utilidades aditivas es simplemente un promedio ponderado de las diferentesfunciones de utilidad” (Clemen, 2011). En la ecuación 2-2Wi es el peso asociado al indicadori, Ii el valor del indicador y Ui su función de utilidad. Los pesos de los indicadores son valorespositivos que como muestra la ecuación 2-3 sumados dan 1. Por otro lado, las funciones deutilidad para cada indicador son establecidas de forma que para un peor escenario de 0 (o0%) y para el mejor de 1 (o 100%) (Clemen, 2011).

Ui (Ii) =|Ii − Ipeor,i|

|Imejor,i − Ipeor,i|(2-4)

Así, Smith et al. (2014b) establecen un forma sencilla para la función de utilidad, la cualse muestra en la ecuación 2-4. Esta ecuación es simplemente la fracción de la normalizaciónusada en la metodología GREENSCOPE

(%Gi100

).


Figura 2-1.: Curva de indiferencia. Adaptadaa partir de Smith y Ruiz-Mercado (2014).

En la figura 2-1 se representa lo que se conoce como curva de indiferencia, la cual muestravarias combinaciones de dos objetivos que dan igual utilidad o satisfacción (Salvatore, 2008).Entre las características de esta curva se tiene que usualmente su pendiente es negativa, locual tiene sentido desde el punto de vista de la compensación; la curva es convexa y no seintercepta con la curva de indiferencia para otra utilidad, debido a que la misma combinaciónpara dos objetivos no puede dar utilidades distintas (Salvatore, 2008). Por otro lado, lapendiente de la curva está relacionada con la tasa de compensación entre objetivos, la cuales también llamada tasa marginal de sustitución (Clemen, 2011).

“La tasa marginal de sustitución (MRS, Marginal Rate of Substitution) refiere a lacantidad de un bien a la cual un individuo está decidido a renunciar por una unidad adicionalde otro bien mientras mantiene el mismo nivel de satisfacción o sigue en la misma curva deindiferencia” (Salvatore, 2008). Justo por la MRS se debe el carácter convexo de la curvade indiferencia, ya que ésta tiene un comportamiento decreciente

(MRS12 = −dU2dU1

).

En la figura 2-1 se puede ver una zona de la curva caracterizada por una línea rectapunteada, la cual constituye un tipo especial de curva de indiferencia, donde la MRS esconstante, “esto significa que el individuo está siempre decidido a renunciar a la mismacantidad de un bien U2 por cada unidad adicional de un bien U1” (Salvatore, 2008). Loanterior se conoce como sustitución perfecta.

Para el cálculo de laMRS, Clemen (2011) da una relación para cuando se usa el método

26 2.3. Método para estimar los pesos relativos de los indicadores y categorías

de utilidades aditivas y puntuaciones proporcionales, como en este caso, la cual se puede veren la ecuación 2-5.

MRSij =Wi/|Imejor,i − Ipeor,i|Wj/|Imejor,j − Ipeor,j|

(2-5)

Smith y Ruiz-Mercado (2014) usan las ecuaciones 2-2, 2-4 y 2-5, para obtener la ecuación2-6, donde la relación entre UTot y U viene dado por la ecuación 2-7. Así, la utilidad es unafunción de la puntuación de los indicadores de sostenibilidad de GREENSCOPE, donde susunidades son dadas por las unidades del indicador j seleccionada para calcular las MRS.

UG (I1, ..., Im) =m∑i=1

%Gi × |Imejor,i − Ipeor,i| ×MRSij (2-6)

UG (I1, ..., Im) = UTot (I1, ..., Im)×|Imejor,j − Ipeor,j|

Wj× 100 (2-7)

2.3. Método para estimar los pesos relativos de losindicadores y categorías

En la sección 2.2 se introdujeron los pesos de los indicadores, los cuales reflejan laimportancia relativa de cada indicador para los tomadores de decisiones, punto que fuediscutido en la sección 1.3.4 como una de las fuentes de incertidumbre en la medición de lasostenibilidad.

“En un intento por evadir los juicios de valor entre los objetivos, una práctica común esfijar to

detección de los puntos críticos del proceso de...

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