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La ingeniería sostenible representa un cambio fundamental en cómo abordamos el diseño de procesos, integrando la gestión ambiental, la viabilidad económica y la responsabilidad social en cada etapa del desarrollo. La ingeniería de procesos sostenible integra principios de sostenibilidad en el diseño, operación y optimización de procesos y operaciones de fabricación para minimizar el impacto ambiental en cada etapa del desarrollo y operación de procesos. El diseño de procesos tiene un gran impacto en el rendimiento de sostenibilidad de los procesos químicos, ya que las decisiones más críticas son capaces de realizar en las primeras etapas del proceso.

Entender el diseño del proceso sostenible

El diseño de procesos sostenibles describe conceptos o estrategias para la sustitución de procesos de producción no eficientes y no renovables. El campo ha evolucionado significativamente durante las últimas décadas, pasando de un enfoque estrecho en el control de la contaminación a un enfoque holístico que considera todo el ciclo de vida de procesos y productos. Después de superar su anterior negación de impactos ambientales negativos, la industria química ha estado trabajando para mejorar su sostenibilidad, con esfuerzos tempranos centrados en la reducción de la contaminación de procesos individuales, mientras que hoy en la vida está en reducir los impactos a lo largo de los ciclos.

Los métodos actuales para el diseño sostenible de procesos resuelven grandes problemas de optimización multiobjetiva y tratan de considerar aspectos económicos, ambientales y sociales. En el desarrollo sostenible, no sólo se deben considerar aspectos económicos, sociales (seguridad, peligro), ambientales (prevención de la contaminación y control regulatorio), aspectos energéticos, materiales y económicos de los procesos y productos deben ser evaluados, optimizados y controlados para alcanzar objetivos de sostenibilidad.

Cálculos fundamentales en el diseño de procesos sostenibles

Los cálculos precisos forman la columna vertebral del diseño sostenible de procesos, proporcionando la base cuantitativa necesaria para la toma de decisiones y optimización informadas. Estos cálculos permiten a los ingenieros comprender los flujos de recursos, identificar las ineficiencias y los procesos de diseño que minimizan los desechos al mismo tiempo que maximizan la productividad.

Análisis del equilibrio de materiales y energía

Los equilibrios materiales y energéticos son fundamentales para muchas disciplinas de ingeniería y tienen un papel importante en las decisiones relacionadas con el desarrollo sostenible. Un equilibrio material y energético es esencialmente una cuenta cuantitativa de la redistribución de material y/o energía que ocurre cuando ocurre algo. Estos cálculos se basan en el principio fundamental de conservación de masa y energía, que establece que la materia y la energía no pueden ser creadas o destruidas, sólo transformados.

El análisis de flujos de materiales y energía (MEFA) es una herramienta eficaz que nos proporciona la capacidad de proponer sistemas sostenibles en varios casos. La metodología implica crear un diagrama esquemático de flujos de materiales y energía dentro del sistema objetivo, establecer límites del sistema y aplicar principios de conservación para rastrear los insumos, productos y acumulación dentro del sistema. En cada caso, definir el sistema, identificar insumos, productos y seguimiento permite una comprensión cuantitativa de los flujos de los recursos, que forman la base para la eficiencia.

Para los procesos de estado estable, la ecuación general de equilibrio material puede expresarse como:

ístrong]Input = Producto + Accumulation

Para operaciones de estado estable donde la acumulación es cero, esto simplifica la entrada = salida. Los balances energéticos siguen principios similares pero representan diversas formas de energía incluyendo enthalpy, energía cinética, energía potencial y transferencia de calor. El texto se centra en la contabilidad de materiales y energía en operaciones continuas y de lotes, con énfasis en unidades de proceso genéricos, hojas de flujo, tablas de flujo y cálculos de hoja de cálculo, con unificado acercamiento para cálculo de energía reactiva y no reactiva.

Análisis de flujo de materiales (MFA)

Materials flow analysis is a quantitative procedure for determining the flow of materials and energy through the economy, using input/output methodologies, including both material and economic information. Material flow analysis (MFA) is a tool for material management that supports the detailed study of the flows of input, processing and output of materials in different production systems, including quantification, evaluation, improvement, and strategic planning.

Un método ampliamente aplicado para el análisis del metabolismo urbano es el análisis de flujos materiales (MFA), que es una evaluación sistemática del estado y los cambios de flujos y existencias de materiales dentro de un sistema definido basado en el principio del equilibrio de masas.

  • Determinación de las deficiencias de recursos y los puntos de generación de desechos
  • Cuantificación de los insumos y productos materiales a través de los límites del sistema
  • Evaluación del potencial de reciclado y recuperación
  • Seguimiento de las existencias materiales y sus cambios a lo largo del tiempo
  • Apoyo a las estrategias de economía circular

El MFA permite identificar el potencial de recirculación de materiales y energía, así como la comparación de la eficiencia en los procesos industriales preestablecidos y evaluar la posibilidad de recuperación de materia prima secundaria en la minería urbana, lo que hace que sea una herramienta inestimable para diseñar procesos que minimicen el consumo de material virgen y maximicen la recuperación de recursos.

Calculaciones de consumo de energía

Los cálculos del consumo de energía son fundamentales para evaluar la sostenibilidad de los diseños de procesos, que deben tener en cuenta diversas formas de uso energético, entre ellas:

  • יstrong Confect energy consumption: Utilizado directamente en operaciones de proceso como calefacción, refrigeración, mezcla y separación
  • ■strong confianzaConsumo energético directo: se realizó/fuertengilo Energía integrada en materias primas y utilidades
  • יstrong confianzaPerdidas energéticas: Se realizaron / se entretenían pérdidas de calor, pérdidas de fricción y otras ineficiencias
  • ■fuetróngión potencial de recuperación de energía: Se realizaron / se entretenían oportunidades para la integración de calor y recuperación de calor de residuos

La visión holística, que combina flujos materiales y energéticos, se conoce como equilibrio material exergético, centrándose en la calidad de la energía y los materiales a medida que se transforman, lo que proporciona un significado más amplio de eficiencia del sistema y rendimiento ambiental. El análisis exergético va más allá de la contabilidad de energía simple para considerar la calidad y utilidad de la energía, proporcionando más información sobre la eficiencia del proceso y las oportunidades de mejora.

Metrices de eficiencia de los recursos

El equilibrio de materiales proporciona un marco para cuantificar la eficiencia de los recursos, con métricas de eficiencia de los recursos como rendimiento, conversión, selectividad y generación de desechos directamente derivadas de cálculos de Equilibrio de Materiales.

  • неритенилинининилининия / tringilo La relación del producto deseado obtenido a la máxima teórica
  • √≠strong títuloSelectivity: obtenidos/strong contactos La relación del producto deseado con los productos totales formados
  • لреннитениениниениениниенининиениянияниениениениениениения / неринининия La fracción de los reaccionarios convertidos a los productos
  • неритититинитини economíaAtom: segÃon / setrongÃ3n El porcentaje de átomos reaccionantes que terminan en el producto deseado
  • ■E-factor: Se realizó/fuerteng hilo La relación de masa de residuos al producto deseado
  • ■Fuente: intensidad energética: se realizó/fuertenglóncia Energía consumida por unidad de producto
  • ■Fuente de potencia: se realizó/fuerte contacto Agua consumida por unidad de producto

Estas métricas proporcionan medidas cuantitativas de rendimiento de procesos y permiten la comparación entre diferentes alternativas de diseño. También ayudan a identificar oportunidades para mejorar y seguir el progreso hacia los objetivos de sostenibilidad.

Evaluación del ciclo de vida en el diseño de procesos

La evaluación del ciclo de vida ha surgido como una herramienta importante para cuantificar el rendimiento ambiental de un producto o servicio durante su ciclo de vida completo. La LCA proporciona un marco integral para evaluar los impactos ambientales de los procesos desde la cuna hasta la tumba, incluyendo la extracción de materia prima, fabricación, uso y eliminación o reciclaje de la vida final.

LCA Methodology and Application

Con el progreso en la comprensión de la sostenibilidad, la incorporación de la sostenibilidad en el diseño, optimización y control de procesos químicos se ha convertido en un punto destacado en la ingeniería de sistemas de procesos recientemente, con evaluación de la sostenibilidad más allá del proceso llevado a cabo para decidir qué alternativa de diseño es más sostenible mediante la realización de consideraciones de evaluación del ciclo de vida (LCA) para determinar las etapas de mayor impacto del ciclo de vida.

La metodología de la LCA consiste típicamente en cuatro fases principales:

  1. יstrong]Contribución de Goal y Alcance: Seguido/fuerte Empleado Estableciendo el propósito del estudio, los límites del sistema, la unidad funcional y el nivel de detalle
  2. ístrong]Inventario del Ciclo de Vida (LCI): Seguido / fuerte Obsequio recopilando datos sobre todas las entradas y salidas asociadas con el sistema
  3. ■strong confianzaLife Cycle Impact Assessment (LCIA): Se realizó/fuerte confianza Evaluando los posibles impactos ambientales basados en los datos del inventario
  4. יstrong confianzaInterpretation: Se realizaron / se entrenaron resultados de análisis, identificando problemas significativos y sacando conclusiones

La aplicación del MEFA proporciona cuantificación de materiales y flujos energéticos, que no sólo funciona como base de la LCI, sino que también permite evaluaciones ambientales más precisas y detalladas. El acoplamiento del análisis de flujo de materiales y energía (MEFA) con evaluación del ciclo de vida (LCA) bajo una perspectiva del metabolismo urbano (UM) representa un enfoque avanzado de la evaluación de la sostenibilidad.

Integración de los Objetivos de Desarrollo Sostenible

El concepto de sostenibilidad absoluta se utilizó para cuantificar el desempeño alcanzado por los sistemas de ingeniería sobre los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), adoptados por 193 Estados Miembros de las Naciones Unidas (ONU) en 2015 y sirven de guía para los encargados de formular políticas para combatir los retos críticos que enfrenta la humanidad. Un marco para el diseño de procesos sostenibles representa explícitamente el desempeño alcanzado en los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), que se computa utilizando los límites de concepto de evaluación de ciclo de vida normal (L).

Esta integración garantiza que los diseños de procesos contribuyan positivamente a los objetivos de sostenibilidad mundial, abordando cuestiones como la acción climática, el agua potable y el saneamiento, la energía asequible y limpia y el consumo y la producción responsables. Los ingenieros pueden utilizar métricas alineadas con los ODS para evaluar cómo sus diseños apoyan o dificultan el progreso hacia estos objetivos universales.

Integración de procesos para la sostenibilidad

Desde 1970 se elaboró un método sistemático para el diseño sostenible de procesos químicos, con una de las familias ampliamente reconocidas de enfoques que se están integrando en procesos. La integración de procesos representa un enfoque holístico del diseño de procesos que busca optimizar el uso de recursos en todos los sistemas de procesos en lugar de optimizar las unidades individuales en aislamiento.

Análisis de la algarro y integración del calor

El desarrollo de técnicas de integración de procesos se centró principalmente en la síntesis de red de intercambiadores de calor en 1970s, con la primera guía de usuario publicada por IChemE, donde se diseñó la red de intercambiadores de calor para alcanzar los objetivos mínimos de utilidad caliente y fría para una planta de proceso. El análisis de la alcantarilla es una metodología sistemática para minimizar el consumo de energía en procesos optimizando la recuperación de calor entre corrientes calientes y frías.

Los pasos clave en el análisis de la pellizca incluyen:

  1. Extracción de datos: Identificar todos los flujos calientes (requerimiento de refrigeración) y flujos fríos (requieriendo calefacción)
  2. Construcción de curva compuesta: Creación de diagramas de temperatura-enthalpia para flujos calientes y fríos
  3. Identificación de puntos de la cacerola: Encontrar el punto de aproximación más cercano entre curvas de compuesto caliente y fría
  4. Ajuste de objetivos: Determinación de los requisitos mínimos de calefacción y utilidad de refrigeración
  5. Diseño de red: Desarrollar redes de intercambiadores de calor para alcanzar los objetivos

La integración de procesos conduce a una reducción del consumo de utilidad, que se traduce en un menor costo operativo y emisiones de CO2, lo que hace que la integración de calor sea una de las estrategias más eficaces en función de los costos para mejorar la sostenibilidad de los procesos, a menudo proporcionando una rápida rentabilidad en la inversión, reduciendo al mismo tiempo significativamente el impacto ambiental.

Integración Masiva y Minimización de Agua

Desde finales de los años 80 hasta principios del siglo XXI, se ampliaron técnicas de integración de procesos para la prevención de la contaminación mediante la síntesis de redes de intercambio masivo e integración masiva, lo que permite el uso mínimo de agentes de separación de masas como adsorbentes, solventes, etc., traduciendo a la reducción de la descarga de residuos de las plantas de proceso.

Cabe mencionar algunos casos especializados de trabajo de integración masiva, como la integración de agua e hidrógeno, donde las técnicas de integración de procesos permiten identificar los caudales mínimos de agua dulce y aguas residuales después de que su potencial de recuperación se maximice entre diversos procesos de uso de agua en la planta. La integración del agua es particularmente importante en las regiones con agua estresada y para las industrias con alto consumo de agua.

Las estrategias de reducción al mínimo de agua incluyen:

  • Reutilización directa: Usar agua de una operación directamente en otra sin tratamiento
  • Reutilización de regeneración: Tratar el agua para eliminar contaminantes antes de reutilizar
  • Reciclaje de regeneración: Tratar el agua y devolverla a la misma operación
  • Análisis de cascada: Fuentes y sumideros de agua que se ajustan sistémicamente sobre la base de requisitos de calidad

Enfoques de programación matemática

Dos enfoques distintos dentro de la familia de integración de procesos incluyen análisis de pellizcos y técnicas de programación matemática, con sus respectivas ventajas y limitaciones - análisis de pellizcos proporciona buenas ideas para los diseñadores, pero tiene capacidad limitada en la optimización de costos, mientras que la programación matemática es capaz de superar esas limitaciones y tratar con casos complejos, aunque sufre la falta de proporcionar buenas ideas para los diseñadores de procesos.

Las formulaciones de programación matemática para la integración de procesos suelen implicar:

  • Variables de decisión que representan los caudales, temperaturas y tamaños de equipo
  • Funciones objetivas minimizando costos, consumo de energía o impacto ambiental
  • Limitaciones para garantizar los saldos de masa y energía, las limitaciones de equipo y las necesidades de seguridad
  • algoritmos de optimización para encontrar soluciones óptimas o casi óptimas

El análisis de los algarros y las técnicas de programación matemática se complementan bien en la solución de diversos problemas industriales. Los enfoques modernos a menudo combinan ambas metodologías, utilizando el análisis de los pellizcos para las ideas iniciales y la detección, seguido de la optimización matemática para el diseño detallado.

Herramientas de simulación de procesos y software

Un simulador de proceso (AspenPlus, gPROMS, Hysys, Aveva Pro/II – por nombrar algunos) es una herramienta que se utiliza universalmente en la educación y la práctica industrial diariamente en todo el mundo, incluyendo modelos de procesos, bases de datos, solvers numéricos, etc., y permitiendo el modelado y/o la simulación de una amplia gama de procesos de simulación de procesos se ha convertido en indispensable para el diseño de procesos sostenibles, optimizando prácticamente ingenieros de procesos físicos.

Simulación de Estado y Dinámica

Las plataformas avanzadas de simulación de procesos como AVEVA Process Simulation apoyan la simulación de estado estable y dinámico dentro de un solo entorno, permitiendo a los ingenieros probar, optimizar y escalar tecnologías de bajo carbono en todo el ciclo de vida de proceso, desde el diseño conceptual hasta las operaciones y el desarrollo de estrategias de control. Este enfoque integrado permite un análisis más completo y una mejor toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida del proyecto.

La simulación de estado de Steady se centra en:

  • Equilibrio de equilibrios materiales y energéticos
  • Evaluación del tamaño y el rendimiento del equipo
  • Optimización del proceso y análisis de sensibilidad
  • Evaluación económica y estimación de costos

Direcciones dinámicas de simulación:

  • Procedimientos de inicio y cierre
  • Diseño y ajuste del sistema de control
  • Respuesta a disturbios y perturbaciones
  • Análisis de seguridad y escenarios de emergencia

Capacidades de simulación basadas en la sostenibilidad

La simulación del proceso AVEVATM ayuda a escalar la industria sostenible con procesos de hidrógeno incorporados, procesos de renovables y cálculos de gases de efecto invernadero. Las plataformas modernas de simulación incorporan cada vez más métricas y herramientas de sostenibilidad, permitiendo a los ingenieros evaluar el rendimiento ambiental junto con criterios técnicos y económicos tradicionales.

Los ingenieros pueden diseñar, probar y optimizar procesos industriales que tradicionalmente son de tiempo y recursos intensivos, como la producción química, el combustible y la generación de energía, o el electrolisis de hidrógeno, en un entorno virtual que refleja el mundo real. Esta capacidad de prototipado virtual reduce significativamente el tiempo y el costo de desarrollar procesos sostenibles al minimizar el riesgo de errores costosos durante la implementación.

Herramientas integradas para el diseño sostenible

Una herramienta integrada, ProCAFD, para la síntesis, diseño e innovación de procesos sostenibles representa la evolución hacia plataformas integrales que combinan múltiples aspectos del diseño sostenible. La herramienta EPA de EE.UU. Evaluador de Reacción de EPA de EPA de EPA de EE.UU. proporciona puntajes para los indicadores seleccionados en las áreas económicas, materiales, ambientales y energéticas.

Estas herramientas integradas permiten a los ingenieros:

  • Evaluar múltiples dimensiones de sostenibilidad simultáneamente
  • Compare las configuraciones de procesos alternativos objetivamente
  • Determinar los cambios entre objetivos competidores
  • Generar soluciones óptimas para los problemas multiobjetivos
  • Documentar y comunicar el rendimiento de sostenibilidad

Buenas prácticas para el diseño de procesos sostenibles

La aplicación de las mejores prácticas en el diseño sostenible de procesos requiere un enfoque sistemático que considere los factores ambientales, económicos y sociales a lo largo del proceso de diseño, que se ha desarrollado y perfeccionado a través de décadas de experiencia industrial e investigación académica.

Enfoque de diseño jerárquico

Un enfoque jerárquico del diseño de procesos ayuda a gestionar la complejidad y garantiza que las consideraciones de sostenibilidad se incorporen en todos los niveles:

  1. √STRUYEJEJEV vs. Continuous: Seleccione el modo de operación adecuado basado en escala de producción, características de producto y consideraciones de sostenibilidad
  2. יstrong Confeder Estructura de entrada-salida: Se realizó/fuerte Empleado Define la estructura de proceso global, incluyendo materias primas, productos y subproductos
  3. Identificar oportunidades para el reciclaje de materiales y energía dentro del proceso
  4. יstrong confianzaSeparation System: Secuencias eficientes de separación de diseño para minimizar el consumo de energía y la generación de desechos
  5. √strong confianzaIntegro del calor: se realizó/fuerteng confianza Aplicar análisis e integración del calor para minimizar el consumo de utilidad
  6. 贸ctrнеритинитиниениениние y especificar el equipo para cumplir con los requisitos de rendimiento de manera eficiente

Este enfoque jerárquico garantiza que las decisiones importantes que afectan a la sostenibilidad se tomen a principios del proceso de diseño cuando tienen el mayor impacto y son menos costosas para implementar.

Estrategias de reducción de desechos

La minimización de desechos sigue una jerarquía de enfoques preferidos, a menudo resumidos como los "3Rs" o ampliados para incluir estrategias adicionales:

  1. יstrong confianzaReduce: obtenidos/strong confianza Minimiza la generación de residuos en la fuente mediante la optimización de procesos, la mejor selectividad y el uso eficiente de materias primas
  2. 贸ctang confianzaReuse: won/strong confianza Buscar aplicaciones para flujos de desechos dentro del proceso o en otros procesos sin tratamiento significativo
  3. √≠strong]Reciclo: SegÃon / setÃ3n de materiales de Recuperar y reprocesar para uso en las mismas o diferentes aplicaciones
  4. √STRUMENTE ESCUCHA: SegÃon / segÃon se Extraen materiales valiosos o energía de los flujos de desechos
  5. ■strong confianzaTreat: Se realizaron los residuos del proceso de garantía para reducir su impacto ambiental antes de la eliminación
  6. ■strong títuloDispose: obtenidos/strong título Seguramente disponer de residuos residuales que no pueden ser reducidos, reutilizados, reciclados o recuperados

La automatización puede detectar y corregir errores en tiempo real, minimizando los desechos materiales en cada producto, y permite procesos avanzados de reciclaje para que los materiales puedan ser reutilizados dentro del ciclo de producción. Los sistemas modernos de automatización y control desempeñan un papel crucial en la implementación de estrategias de minimización de desechos de manera eficaz.

Integración de recursos renovables

La restitución de las tecnologías fósiles con tecnologías basadas en el carbono renovable es de vital importancia para el desarrollo de procesos químicos sostenibles en el futuro, sin embargo, se deben evaluar cuidadosamente los efectos más allá del cambio climático para asegurar que esta transición a los productos químicos desfosilizados sea verdaderamente sostenible.

Entre las estrategias para integrar los recursos renovables cabe citar las siguientes:

  • Identificado propiedades de alimentación renovables: Se realizó/fuerte usuario Usando biomasa, CO2, u otras fuentes de carbono renovables en lugar de combustibles fósiles
  • יstrong Confentes Energía renovable: se realizaron procesos de alimentación con energía solar, eólica, hidroeléctrica u otras fuentes de energía renovable
  • ■strong Confentes Principios de química verde: Se realizó/fuerteñón Diseñando sintetizaciones químicas que usan y generan sustancias con mínima toxicidad
  • ■ Procesos basados en títulos: realizados/fuertes empleados Empleando catalizadores y procesos biológicos que operan en condiciones leves

Algunos componentes están relacionados con conceptos de ahorro energético o eficiencia energética, el uso de energía renovable, etc., mientras que otros aspectos se centran en enfoques de gestión de materiales mediante la minimización de las necesidades de materias primas por unidad de productos valiosos, la reutilización, el reciclaje, los materiales renovables, etc.

Intensificación de procesos

La intensificación de los procesos tiene por objeto lograr mejoras espectaculares en la eficiencia, la seguridad y la sostenibilidad de los procesos mediante equipos y métodos innovadores.

  • Identificadores de potenciadores: se realizaron/fuertes claves Combinando reacción y separación en una sola unidad
  • нертенитилиниминиминиминиминиминиминиминиминиминиминиминимининининимининиминимититититими:
  • нертенититититититититититититититититититититититититититититититититирититититититит:
  • 贸ctang garantia procesos membrane: selecciona/strong hilo Usando membranas selectivas para separaciones eficientes
  • יstrong Confentes Fuentes de energía alternativa: Se realizó/fuerte Empleando microondas, ultrasonido u otros insumos de energía no convencional

La intensificación de los procesos puede dar lugar a unas huellas de equipo más pequeñas, a una reducción de los costos de capital, a una mayor seguridad y a un menor impacto ambiental. Sin embargo, es necesario realizar un análisis cuidadoso para garantizar que la intensificación realmente mejore la sostenibilidad general en lugar de crear nuevos problemas.

Supervisión y mejora continuas

Los sistemas de control automatizados pueden monitorizar y ajustar el uso energético en tiempo real, optimizando el consumo de electricidad, calor y otras formas de energía, lo que reduce la huella ambiental de las operaciones industriales, pero también ofrece ahorros significativos en costos para las empresas.

Los programas de monitoreo y mejora eficaces incluyen:

  • Identificadores de rendimiento de claves (KPI): Se realizaron / se crearon métricas para rastrear el rendimiento de sostenibilidad
  • 贸ctang confianzaControl de tiempo real: Segùn/fuerte usuario Usando sensores y análisis de datos para rastrear el rendimiento de proceso continuamente
  • יstrong confianzaBenchmarking: Secuencia/fuertes contactos de rendimiento contra estándares de la industria y mejores prácticas
  • יstrong confianzaRoot causa análisis: realizados/strong Fuente Investigando desviaciones e identificando causas subyacentes
  • √strong confianzaCrural de mejora continua: SegÃon/fuertes empleados Alentando a todo el personal a identificar e implementar mejoras

Los enfoques de control de procesos deben actuar contra inestabilidades inesperadas cuando el proceso se vuelve inestable con el tiempo y/o debido a cambios en la composición de alimentación y la velocidad de flujo, temperatura y presión, y deben ser capaces de realizar transiciones a diferentes condiciones operativas deseadas y estados para satisfacer las demandas de la empresa y el consumidor, economía, proceso y especificaciones de productos, nuevas regulaciones ambientales, seguridad, gestión de eventos crónicos de baja dosis, etc.

Métodos y herramientas de cálculo avanzados

El diseño moderno de procesos sostenibles se basa en métodos de cálculo sofisticados y herramientas computacionales que permiten a los ingenieros analizar sistemas complejos y optimizar múltiples objetivos simultáneamente.

Optimización multiobjetiva

El problema multiobjetivo se resuelve utilizando el método de limitación epsilon para obtener las fronteras óptimas de Pareto que revelan el intercambio entre las dimensiones ambientales y económicas del problema del diseño de procesos sostenible. La optimización multiobjetiva reconoce que el diseño de procesos sostenibles implica equilibrar objetivos competidores como minimizar costos, impacto ambiental y riesgos de seguridad al mismo tiempo que maximiza la calidad y rendimiento de los productos.

Los enfoques comunes para la optimización multiobjetiva incluyen:

  • 贸ctancias de peso método de suma ponderada: SegÃon/fuertes conocimientos Combinando múltiples objetivos en un solo objetivo utilizando factores de ponderación
  • ■ método de restricción de Epsilon: Seleccion/fuertes confianza Optimizando un objetivo al mismo tiempo que limita a otros
  • Identificar el conjunto de soluciones no dominadas
  • יstrong ConfíoGoal programming: won/strong confianza Minimizing desviations from specified target values
  • 贸ctar significado algoritmos evolutivos: segъn/fuerte usuario Usar métodos inspirados en la naturaleza para explorar el espacio de solución

Estos métodos permiten a los encargados de adoptar decisiones comprender los beneficios y seleccionar soluciones que mejor se ajusten a sus prioridades y limitaciones.

Optimización de la superestructura

Una herramienta general, Super-O, para síntesis de procesos basada en optimización de superestructura representa un enfoque avanzado para el diseño de procesos. La optimización de superestructura implica crear una representación integral de todas las configuraciones de procesos posibles y utilizar optimización matemática para identificar el mejor diseño.

El enfoque de superestructura suele implicar:

  1. Definir una superestructura que incluya todas las alternativas posibles del proceso
  2. Formulación de modelos matemáticos para cada operación y conexión de unidad
  3. Establecer una función y limitaciones objetivas
  4. Resolver el problema de optimización resultante utilizando algoritmos apropiados
  5. Analizar la solución óptima y la sensibilidad a los parámetros

Methods such as superstructure optimization, process integration, process intensification, among others, and their applications to sustainable design and synthesis of energy systems have become an active research area. This approach is particularly valuable for complex systems where the optimal configuration is not obvious and where sustainability considerations interact with technical and economic factors in non-intuitive ways.

Reconciliación de datos y análisis de errores

Las técnicas de conciliación de datos, empleadas a menudo en ingeniería química, utilizan métodos estadísticos para ajustar datos medidos para satisfacer las limitaciones de equilibrio de materiales, lo que no sólo mejora la exactitud de las estimaciones de flujos de materiales, sino que también identifica posibles errores de medición o fugas en el sistema.

La reconciliación de datos es esencial para:

  • Mejora de la exactitud de las mediciones de procesos
  • Detectar y diagnosticar errores de medición
  • Identificar las fugas de procesos o las corrientes no aseguradas
  • Proporcionar datos fiables para la optimización de procesos
  • Apoyo al cumplimiento y la presentación de informes reglamentarios

La técnica utiliza mediciones redundantes y principios de conservación para estimar los valores verdaderos más probables de variables de proceso, contando con la incertidumbre de medición y errores sistemáticos.

Economía circular y ecología industrial

La economía circular representa un cambio fundamental del modelo tradicional de "toma-despose" lineal a un sistema regenerativo donde los recursos se mantienen en uso durante el mayor tiempo posible, extrayendo el máximo valor antes de la recuperación y la regeneración.

Principios de Economía Circular en Diseño de Procesos

Con la economía circular (CE) que se está volviendo más atractivo en todo el mundo, las autoridades locales están realizando esfuerzos para desarrollar estrategias circulares a nivel urbano, desarrollando y vigilando estrategias que requieren información cuantitativa detallada sobre las corrientes materiales y energéticas, que pueden obtenerse mediante un análisis del metabolismo urbano (UM).

Los principios clave de la economía circular para el diseño de procesos son:

  • Identificar los desechos: se realizó / se entrenó el uso de desechos y la contaminación mediante un diseño cuidadoso
  • 贸scritostrong gargante productos y materiales en uso: SegÃon / diseño robusto para durabilidad, reutilizaciÃ3n, remanufacturaciÃ3n y reciclaje
  • √strong confianzaRegenerar sistemas naturales: Seguido/fuerte contacto Regresar valiosos nutrientes al suelo y otros ecosistemas
  • √FUse energía renovable: se realizaron procesos de potencia con fuentes de energía renovables
  • ■strong confianzaPiensa en sistemas: Secuencia/fuertes contactos Considerar el contexto más amplio e interconexiones

Una transición sostenible de la economía circular requiere diseñar estrategias holísticas que no sólo tengan por objeto reducir los productos del sistema mediante la recirculación de materiales, sino también reducir sus insumos mediante un uso reducido y más eficiente de los recursos.

Simbiosis industrial

La simbiosis industrial implica crear redes donde los desechos o subproductos de un proceso se convierten en materias primas para otro, imitando ecosistemas naturales donde los desechos de un organismo se convierten en alimentos para otro. Este enfoque puede mejorar significativamente la eficiencia de los recursos y reducir el impacto ambiental en el grupo industrial o en el plano regional.

La simbiosis industrial exitosa requiere:

  • Efectividad geográfica de las instalaciones participantes
  • Flujos de desechos compatibles y requisitos de materiales
  • Viabilidad económica de los intercambios de materiales
  • Marcos reguladores que facilitan en lugar de obstaculizar los intercambios
  • Confianza y colaboración entre las organizaciones participantes
  • Infraestructura para la recogida, almacenamiento y transporte de materiales

El análisis del flujo de materiales desempeña un papel crucial en la identificación de oportunidades para la simbiosis industrial mediante la asignación de flujos de materiales e identificación de posibles coincidencias entre generadores de desechos y usuarios potenciales.

Conceptos de biorefinería

Tres áreas tecnológicas (interrelacionadas entre sí) que afectan la sostenibilidad de la tierra, a saber, procesos químicos vinculados con la captura y utilización de CO2, biorefinerías y desalinización de agua se seleccionan para destacar las opiniones, así como la necesidad de desarrollar más herramientas informatizadas. Las refinerías representan una importante aplicación de principios de diseño de procesos sostenibles, convirtiendo la biomasa en una gama de productos valiosos, incluyendo combustibles, químicos, materiales y energía.

Las consideraciones de diseño de biorefinería incluyen:

  • Selección de activos y sostenibilidad de la cadena de suministro
  • Selección de tecnología de conversión (bioquímica, termoquímica o híbrida)
  • Optimización de la cartera de productos para maximizar el valor
  • Integración con infraestructura e industrias existentes
  • Integración de agua y energía para reducir al mínimo el consumo de recursos
  • Evaluación del impacto ambiental en todo el ciclo de vida

Desafíos y futuras orientaciones

Si bien se han logrado progresos importantes en la elaboración de procesos sostenibles, siguen existiendo varios problemas que requieren una investigación y un desarrollo continuos.

Limitaciones actuales

Estos métodos utilizan los últimos avances en la ingeniería de sistemas de procesos, pero están rezagados en su uso de avances en Ingeniería Sostenible, con más trabajo necesario para considerar los impactos sobre el límite de ciclo de vida completo, y para asegurar que los diseños sostenibles no excedan la capacidad de la naturaleza para proporcionar los bienes y servicios de los ecosistemas necesarios.

Entre los principales problemas cabe citar:

  • יstrong confíaSystem boundary definition: won/strong Fueter Determinar los límites apropiados para el análisis sin hacer que el problema sea intráctil
  • ■strong confianza Disponibilidad y calidad de datos: Seguido/fuerte Obtención de datos fiables para impactos ambientales y flujos de recursos
  • ▪Seguridad: Se realizó / se forzó a confiar en la incertidumbre en las condiciones futuras, el rendimiento tecnológico y los impactos ambientales
  • ▪ Segurización a escala de títulos: Se realizaron o se fortificaron decisiones a nivel de proceso con cadena de suministro y impactos a escala mundial
  • ■strong confianzaDimensión social: Se realizó/fuerte contacto Incorporar adecuadamente los aspectos de sostenibilidad social en métodos de diseño cuantitativo

Los mayores obstáculos son la divergencia de horizontes temporales, la descomposición de los límites del sistema, la calidad y disponibilidad de los datos y la subrepresentación de los procesos industriales, que son especialmente graves cuando se intenta combinar diferentes enfoques de modelado o integrarse en diferentes escalas de análisis.

Oportunidades emergentes

Existen oportunidades para que la comunidad de Ingeniería de Sistemas de Procesos no sólo desarrolle los métodos y herramientas necesarias sino también para contribuir al desarrollo sostenible mediante soluciones innovadoras. Varias direcciones prometedoras para el desarrollo futuro incluyen:

  • 贸ctrнеринитиниениениение y aprendizaje automático: se realizó / se forzó Usando AI para optimizar procesos complejos, predecir el rendimiento e identificar patrones en grandes conjuntos de datos
  • √strong] gemelos digitales: Seguido/fuertengilo Creando réplicas virtuales de procesos para la optimización en tiempo real y mantenimiento predictivo
  • ■strong títulos avanzados: Seguido/fuertengilo Desarrollando nuevos catalizadores, sorbentes y membranas que permitan procesos más eficientes y selectivos
  • יstrong ConfederModular and distributed processing:Seguido/fuerte diseño de sistemas flexibles y escalables que pueden ser implementados más cerca de fuentes o mercados de materias primas
  • √strong ConftorgamientoIntegración con energía renovable: Se realizaron/fuertes procesos de diseño que pueden operar de forma flexible con suministros de energía renovable variables

Con la adopción del Acuerdo de París en 2015, se ha vuelto imprescindible para la industria química, con un 10% de las emisiones antropógenas globales de CO2, para la transición gradual a vías de producción más sostenibles, lo que hace que sea crucial considerar las métricas ambientales al analizar los procesos actuales basados en carbono fósiles y diseñar vías alternativas de producción química más limpia.

Función de la educación y la capacitación

El objetivo del programa EngD es desarrollar soluciones sostenibles para la industria, como nuevas técnicas de proceso y/o materiales que minimizan significativamente la huella ecológica, siendo una alta demanda de ingenieros de procesos altamente educados y especializados para ayudar a la transición a procesos de producción sostenibles.

La integración de procesos también se imparte en los programas universitarios y se aplica mediante cursos de diseño y el principal proyecto de diseño en todo el mundo. La educación y la capacitación desempeñan un papel crucial en el desarrollo de la próxima generación de ingenieros que pueden diseñar y ejecutar procesos sostenibles.

  • Integración de los principios de sostenibilidad en los planes de estudios de ingeniería
  • Ofrecer experiencia práctica con herramientas y métodos modernos
  • Desarrollar aptitudes interdisciplinarias para hacer frente a complejos desafíos de sostenibilidad
  • Fomentar el pensamiento de los sistemas y las perspectivas del ciclo de vida
  • Fomentar la innovación y la solución creativa de problemas

Directrices de aplicación práctica

Para aplicar con éxito el diseño sostenible de procesos se requiere un enfoque estructurado que considere los factores técnicos, económicos, ambientales y de organización.

Planificación y ejecución de proyectos

Un enfoque sistemático de los proyectos de diseño de procesos sostenibles incluye:

  1. √Fantásticos contactosDefinir objetivos y alcance: SegÃon/fuertes contactos claramente articular metas de sostenibilidad y límites de proyectos
  2. 贸scritostrong confianzaAssemble multidisciplinary team: won/strong confianza Incluir experiencia en ingeniería de procesos, ciencia ambiental, economía y operaciones
  3. יstrong ConfederConduct baseline assessment: obtenidos/strong título Entender el rendimiento actual e identificar oportunidades de mejora
  4. ▪Fuente principal Generar y pantalla alternativas: Secuencia/fuerte Emprendimiento Desarrollar múltiples opciones de diseño y eliminar alternativas claramente inferiores
  5. יstrong confíaAnálisis detallado: Se realizó/fuerte usuario Realizar un análisis técnico, económico y ambiental riguroso de alternativas prometedoras
  6. 贸ctrнеритинитинининининия / robustecido Utilizar herramientas apropiadas para optimizar diseños seleccionados
  7. Identificar y evaluar riesgos técnicos, económicos y ambientales
  8. יstrong confianzaImplementation planning: won/strong confianza Desarrollar planes detallados para la construcción, puesta en marcha y operación
  9. 贸ctrès filojo y verificación: logr/strong confianza Establece sistemas para rastrear el rendimiento y verificar beneficios de sostenibilidad

Participación de los interesados

El diseño exitoso de procesos sostenibles requiere la colaboración con diversos interesados, entre ellos:

  • ■strong confianzaIntermedios interesados: Realización/fuerte de Gestión, operaciones, mantenimiento, seguridad y personal ambiental
  • ■Fuente: Reguladores externos/fuertes, miembros de la comunidad, clientes, proveedores e inversores
  • ■fuertengló expertos técnicos: talleres/fuertes consultores, proveedores de tecnología e instituciones de investigación

La participación efectiva de los interesados implica una clara comunicación de objetivos, un intercambio transparente de información, un examen de diversas perspectivas y una solución de problemas en colaboración.

Documentación y gestión de conocimientos

Es esencial disponer de documentación completa para:

  • Capturing design racionale and decisions
  • Facilitación de la aprobación reglamentaria y la autorización
  • Apoyo a las operaciones y el mantenimiento
  • Mejora continua
  • Compartir las experiencias adquiridas en toda la organización
  • Demostración del desempeño de la sostenibilidad a los interesados

Los sistemas modernos de gestión de conocimientos pueden ayudar a organizar y hacer accesible la gran cantidad de información generada durante proyectos de diseño de procesos sostenibles.

Aplicaciones de estudio de caso

Las aplicaciones del mundo real demuestran cómo se aplican en la práctica principios y cálculos de diseño de procesos sostenibles en diversas industrias.

Carbon Capture and Utilization

Este enfoque se aplica para diseñar un proceso de hidrógeno de CO2 al metanol, donde el rendimiento económico y basado en los ODS son los objetivos optimizados, mostrando que el diseño ambientalmente óptimo reduce el impacto en los ODS 13 (acción climática) sustancialmente en relación con el homólogo fósil de empresa como usuario, pero esto se hace a expensas de empeorar otras categorías.

Este caso ilustra la importancia de una evaluación integral de la sostenibilidad que considera múltiples categorías de impacto en lugar de centrarse exclusivamente en el cambio climático. Muestra cómo la optimización multiobjetiva puede revelar los beneficios y ayudar a los responsables de la adopción de decisiones a seleccionar diseños que mejor se adapten a sus prioridades.

Desalización del agua

La desalinización del agua representa otro importante área de aplicación donde los principios de diseño de procesos sostenibles son críticos.

  • Eficiencia energética de los procesos de desalinización
  • Gestión de la eliminación de concentrados
  • Integración con fuentes de energía renovable
  • Minimización del uso y descarga químicos
  • Impactos ambientales del ciclo de vida

Los cálculos de equilibrio de materiales y energía son fundamentales para optimizar los procesos de desalinización, mientras que el LCA ayuda a asegurar que las soluciones sean verdaderamente sostenibles al considerar el sistema completo.

Producción de biocombustibles

El MEFA de la producción de biodiesel, la utilización de energía renovable en la fabricación de alimentos y los efectos de la creación de redes entre la producción de cemento y algunas industrias se proporcionan como estudios de casos. La producción de biocombustibles ilustra la complejidad del diseño de procesos sostenibles, donde deben considerarse cuidadosamente la sostenibilidad de los productos alimentarios, la eficiencia de la conversión, la utilización de los productos coproductos y los efectos del ciclo de vida.

Los procesos de biocombustibles exitosos suelen tener:

  • Alimentación sostenible que no compite con la producción de alimentos
  • Alta eficiencia de conversión mediante condiciones de proceso optimizadas
  • Uso valioso de coproductos y subproductos
  • Integración de corrientes de calor y materiales para minimizar el consumo de utilidad
  • Balance energético neto positivo y reducción de gases de efecto invernadero

Consideraciones normativas y de política

El diseño sostenible de procesos debe navegar por un panorama regulatorio cada vez más complejo, al tiempo que responde a iniciativas de sostenibilidad voluntaria y presiones de mercado.

Environmental Regulations

Entre los marcos normativos fundamentales que afectan al diseño sostenible de procesos figuran los siguientes:

  • ▪strong títuloReglamento de calidad de Air: Se realizaron/fuertes límites de emisiones de contaminantes de criterios, contaminantes de aire peligrosos y gases de efecto invernadero
  • ■ Se realizaron regulaciones de calidad de Water: se realizaron/fuerteng] Límites de descarga para contaminantes convencionales y tóxicos
  • ▪ Normas de gestión de desechos peligrosos y no peligrosos: requisitos de manejo y eliminación de desechos peligrosos
  • ■Seguridad química: registro / fuerza de títulos Registro, evaluación y autorización de productos químicos
  • ■ Seguridad de eficiencia energética: Se realizaron requisitos o incentivos para operaciones eficientes en energía

El diseño sostenible de procesos debe tener como objetivo superar los requisitos mínimos de regulación, anticipando las futuras regulaciones y demostrando liderazgo ambiental.

Iniciativas y Normas Voluntarias

Muchas organizaciones participan en iniciativas de sostenibilidad voluntaria, como:

  • ISO 14001 Environmental Management Systems
  • ISO 50001 Sistemas de Gestión de Energía
  • Programa de atención responsable para la industria química
  • Objetivos basados en la ciencia para la reducción de los gases de efecto invernadero
  • Normas y certificaciones de sostenibilidad específicas para la industria

Estas iniciativas proporcionan marcos para mejorar de forma sistemática y demuestran el compromiso con la sostenibilidad de los interesados.

Incentivos económicos

Diversos mecanismos económicos pueden apoyar el diseño sostenible de procesos:

  • Carbon pricing through tax or cap-and-trade systems
  • Créditos y subvenciones energéticos renovables
  • Incentivos fiscales para mejorar la eficiencia energética
  • Vicios verdes y mecanismos de financiación sostenibles
  • Precio de primera calidad para productos sostenibles

Comprender y aprovechar estos incentivos puede mejorar la viabilidad económica de los diseños de procesos sostenibles.

Conclusión y futuro Outlook

El diseño sostenible de procesos representa una capacidad crítica para abordar los desafíos ambientales del siglo XXI manteniendo la prosperidad económica. El objetivo de la ingeniería de sistemas de procesos sostenibles presenta retos formidables debido a la complejidad de los sistemas industriales, ecológicos, económicos y sociales que interactúan. Sin embargo, los instrumentos, métodos y mejores prácticas discutidos en este artículo proporcionan una base sólida para hacer frente a estos desafíos.

El campo sigue evolucionando rápidamente, impulsado por avances en la capacidad computacional, la creciente conciencia ambiental y el aumento de las presiones reglamentarias y de mercado para la sostenibilidad. Un enfoque de sistemas en el que la síntesis, diseño y análisis de procesos sostenibles basados en modelos sirvan de oportunidades para hacer frente a los desafíos será esencial para desarrollar las soluciones innovadoras necesarias para un futuro sostenible.

El éxito en el diseño de procesos sostenibles requiere integrar múltiples disciplinas, considerando múltiples objetivos y pensando en múltiples escalas de molecular a global. Exige un análisis cuantitativo riguroso combinado con la solución de problemas creativos y el pensamiento de sistemas. Lo más importante es que se requiere el compromiso de ingenieros, gerentes, responsables de políticas y sociedad en su conjunto de priorizar la sostenibilidad junto con los objetivos técnicos y económicos tradicionales.

A medida que avanzamos, los principios y prácticas del diseño sostenible de procesos serán cada vez más centrales para la educación y la práctica de ingeniería. La próxima generación de ingenieros debe estar equipada no sólo con habilidades técnicas sino también con la perspectiva y el compromiso más amplios necesarios para crear procesos que sirvan verdaderamente a las necesidades de las generaciones actuales y futuras respetando los límites planetarios.

Para obtener más información sobre prácticas de ingeniería sostenible, visite el objetivo de la gestión de los recursos: " Europa " .