Progettazione di processi per l'ingegneria sostenibile: Calcoli e migliori pratiche

L'ingegneria sostenibile rappresenta un cambiamento fondamentale nel modo in cui ci avviciniamo al design dei processi, integrando la gestione ambientale, la redditività e la responsabilità sociale in ogni fase dello sviluppo. L'ingegneria dei processi sostenibili integra i principi di sostenibilità nella progettazione, nel funzionamento e nell'ottimizzazione dei processi e delle operazioni di produzione per ridurre al minimo l'impatto ambientale in ogni fase di sviluppo e di funzionamento del processo.

Comprensione del design dei processi sostenibili

Il design dei processi sostenibili descrive concetti o strategie per la sostituzione di processi produttivi non efficienti e non rinnovabili. Il campo si è evoluto in modo significativo negli ultimi decenni, passando da un focus ristretto sul controllo dell'inquinamento ad un approccio olistico che considera l'intero ciclo di vita dei processi e dei prodotti. Dopo aver superato la sua precedente negazione degli impatti ambientali negativi, l'industria chimica sta lavorando per migliorare la sua sostenibilità, con i primi sforzi volti a ridurre l'inquinamento dai singoli processi, mentre oggi, si sta riducendo il ciclo di vita.

I metodi attuali per il design dei processi sostenibili risolvono grandi problemi di ottimizzazione multioggettiva e cercano di considerare gli aspetti economici, ambientali e sociali. In ambito di sviluppo sostenibile, non solo gli aspetti economici, sociali (sicurezza, libertà di pericolo), ambientali (prevenzione dell'inquinamento e controllo normativo), l'aspetto energetico, materiale ed economico dei processi e dei prodotti devono essere valutati, ottimizzati e controllati per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità.

Calcolazioni fondamentali nel progetto di processo sostenibile

I calcoli accurati costituiscono la spina dorsale del design dei processi sostenibili, fornendo le basi quantitative necessarie per il processo decisionale e l'ottimizzazione informati. Questi calcoli consentono agli ingegneri di comprendere i flussi di risorse, identificare le inefficienze e i processi di progettazione che minimizzano i rifiuti, massimizzando la produttività.

Analisi dei materiali e dell'equilibrio energetico

Un equilibrio materiale ed energetico è essenzialmente un resoconto quantitativo della ridistribuzione di materiale e/o di energia che si verifica quando accade qualcosa. Questi calcoli si basano sul principio fondamentale della conservazione della massa e dell'energia, che afferma che la materia e l'energia non possono essere creati o distrutti, solo trasformati.

L'analisi dei flussi di materiale e di energia (MEFA) è uno strumento efficace che ci fornisce la capacità di proporre sistemi sostenibili in diversi casi. La metodologia prevede la creazione di uno schema di flussi di materiale ed energia all'interno del sistema di destinazione, la definizione dei confini del sistema, l'applicazione dei principi di conservazione per tracciare input, output e accumulo di impatto all'interno del sistema.

Per i processi a stato costante, l'equazione generale del bilanciamento dei materiali può essere espressa come:

Input = output + accuratezza

Per operazioni a stato costante, dove l'accumulo è zero, questo semplifica l'Input = Output. I bilanci energetici seguono principi simili, ma rappresentano varie forme di energia, tra cui l'entalpia, l'energia cinetica, la potenziale energia e il trasferimento di calore. Il testo si concentra sulla contabilità di materiali e di energia in operazioni batch e continue, con l'accento su unità di processo generiche, fogli di flusso, tabelle di flusso e calcoli di foglio di calcolo, con un approccio unificato ai calcoli reattivialimentari.

Analisi del flusso di materiale (MFA)

L'analisi dei flussi dei materiali è una procedura quantitativa per determinare il flusso di materiali e di energia attraverso l'economia, utilizzando metodologie di input/output, comprese le informazioni materiali ed economiche. L'analisi dei flussi materiali (MFA) è uno strumento per la gestione dei materiali che supporta lo studio dettagliato dei flussi di input, elaborazione e produzione dei materiali in diversi sistemi di produzione, tra cui quantificazione, valutazione, miglioramento e pianificazione strategica.

Un metodo ampiamente applicato per l'analisi del metabolismo urbano è l'analisi del flusso materiale (MFA), che è una valutazione sistematica dello stato e dei cambiamenti dei flussi e delle scorte di materiali all'interno di un sistema definito basato sul principio di equilibrio di massa.

Identificazione delle inefficienze delle risorse e dei punti di generazione dei rifiuti
Quantificazione degli input e delle uscite materiali attraverso i confini del sistema
Valutazione del potenziale di riciclaggio e di recupero
Monitoraggio delle scorte materiali e dei loro cambiamenti nel tempo
Supporto per strategie di economia circolare

MFA consente l'identificazione del potenziale di ricircolo dei materiali e dell'energia, nonché il confronto dell'efficienza nei processi industriali prestabiliti e la valutazione della possibilità di recupero della materia prima secondaria nell'estrazione urbana, che lo rende uno strumento prezioso per la progettazione di processi che minimizzano il consumo di materiale vergine e massimizzano il recupero delle risorse.

Calcoli del consumo energetico

I calcoli dei consumi energetici sono fondamentali per valutare la sostenibilità dei progetti di processo, che devono essere calcolati in base a varie forme di utilizzo dell'energia, tra cui:

Consumo energetico diretto:[ Energia utilizzata direttamente nelle operazioni di processo come riscaldamento, raffreddamento, miscelazione e separazione
Consumo energetico indiretto:[ Energia incorporata nelle materie prime e nelle utility
Perdite energetiche:[ Perdite di calore, perdite di attrito e altre inefficienze
Potenzialmente di recupero energetico:[ Opportunità per l'integrazione del calore e il recupero del calore dei rifiuti

La visione olistica, che unisce i flussi di materiali e di energia, è conosciuta come Esclusiva del Materiale, focalizzandosi sulla qualità dell'energia e dei materiali come si trasformano, che fornisce un senso più completo dell'efficienza del sistema e delle prestazioni ambientali. L'analisi esergia va oltre la semplice contabilità energetica per considerare la qualità e l'utilità dell'energia, fornendo approfondimenti sull'efficienza del processo e sulle opportunità di miglioramento.

Risorse Efficienza Metrica

Material Balance fornisce un quadro per quantificare l'efficienza delle risorse, con metriche di efficienza delle risorse come rendimento, conversione, selettività e generazione dei rifiuti, tutti direttamente derivati dai calcoli di Material Balance.

Impiegato:[ Il rapporto tra il prodotto desiderato ottenuto al massimo teorico
Selettività:[ Il rapporto tra prodotto desiderato e prodotti totali formati
Conversione: La frazione dei reattivi convertiti ai prodotti
Economia Atom: La percentuale di atomi reazionanti che finiscono nel prodotto desiderato
E-factor:[ Il rapporto di massa dei rifiuti al prodotto desiderato
Intensità energetica:[ Energia consumata per unità di prodotto
Intensità dell'acqua:[ Acqua consumata per unità di prodotto

Queste metriche forniscono misure quantitative di performance di processo e consentono il confronto tra diverse alternative di progettazione, aiutando anche a identificare le opportunità di miglioramento e a tenere traccia dei progressi verso gli obiettivi di sostenibilità.

Valutazione del ciclo di vita nel disegno di processo

LCA fornisce un quadro completo per valutare gli impatti ambientali dei processi da culla a tomba, tra cui l'estrazione di materie prime, la produzione, l'uso e lo smaltimento o il riciclaggio di fine vita.

Metodologia e applicazione LCA

Con il progresso nella comprensione della sostenibilità, l'integrazione della sostenibilità nella progettazione, ottimizzazione e controllo dei processi chimici è diventata un punto di riferimento della ricerca nell'ingegneria dei sistemi di processo di recente, con una valutazione della sostenibilità oltre il processo svolto per decidere quale alternativa progettuale è più sostenibile, eseguendo considerazioni di valutazione del ciclo di vita (LCA) per identificare le fasi di maggiore impatto sul ciclo di vita.

La metodologia LCA consiste in genere in quattro fasi principali:

Definizione di profilo e di ambito:[] Stabilire lo scopo dello studio, confini di sistema, unità funzionale e livello di dettaglio
Life Cycle Inventory (LCI):[] Raccogliere dati su tutti gli input e le uscite associate al sistema
Valutazione dell'impatto del ciclo di vita (LCIA):[] Valutazione dei potenziali impatti ambientali basati sui dati dell'inventario
Interpretazione:[] Analizzando i risultati, identificando i problemi significativi e traendo conclusioni

L'applicazione del MEFA fornisce la quantificazione dei materiali e dei flussi energetici, che non solo funziona come base dell'ICC, ma consente anche valutazioni ambientali più accurate e dettagliate. L'accoppiamento dell'Analisi del flusso di energia e dei materiali (MEFA) con la Valutazione del ciclo di vita (LCA) sotto una prospettiva del metabolismo urbano (UM) rappresenta un approccio avanzato alla valutazione della sostenibilità.

Integrazione degli obiettivi di sviluppo sostenibile

Il concetto di sostenibilità assoluta è stato impiegato per quantificare le prestazioni raggiunti dai sistemi di ingegneria sui 17 obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG), che sono stati adottati da 193 stati membri delle Nazioni Unite (UN) nel 2015 e servono come linea guida per i politici per combattere le sfide critiche che affrontano l'umanità.

Questa integrazione garantisce che i progetti di processo contribuiscano positivamente agli obiettivi globali di sostenibilità, affrontando questioni quali l'azione climatica, l'acqua pulita e i servizi igienici, l'energia a prezzi accessibili e pulite, il consumo e la produzione responsabili.

Integrazione dei processi per la sostenibilità

Dal 1970 è stato sviluppato un metodo sistematico per la progettazione di processi chimici sostenibili, con una delle famiglie ampiamente riconosciute di approcci in fase di integrazione di processo. L'integrazione di processo rappresenta un approccio olistico al design di processo che mira a ottimizzare l'uso delle risorse attraverso interi sistemi di processo piuttosto che ottimizzare le singole unità in isolamento.

Analisi del punto e integrazione del calore

Lo sviluppo delle tecniche di integrazione dei processi si è concentrato principalmente sulla sintesi della rete di scambiatori di calore negli anni '70, con la prima guida utente pubblicata dall'IChemE, dove la rete di scambiatori di calore è stata progettata per raggiungere gli obiettivi di utilità minimi caldi e freddi per un impianto di processo.

I passaggi chiave nell'analisi dei pizzichi includono:

Estrazione dati: Identificare tutti i flussi caldi (richiedendo raffreddamento) e flussi freddi (richiedendo riscaldamento)
Costruzione di curve composite: Creazione di diagrammi di temperatura-entalpia per flussi caldi e freddi
Identificazione del punto di spillo: Trovare il punto di approccio più vicino tra curve composte calde e fredde
Impostazione obiettivo: Determinazione dei requisiti minimi di riscaldamento e raffreddamento
Progettazione di rete: sviluppo di reti di scambiatori di calore per raggiungere gli obiettivi

L'integrazione dei processi porta a un ridotto consumo di utilità, che si traduce in un abbassamento dei costi operativi e delle emissioni di CO2, rendendo l'integrazione termica una delle strategie più convenienti per migliorare la sostenibilità dei processi, spesso fornendo un rapido rientro sugli investimenti, riducendo significativamente l'impatto ambientale.

Integrazione di massa e Minimizzazione dell'acqua

Dalla fine degli anni ottanta fino all'inizio del XXI secolo, le tecniche di integrazione dei processi sono state ampliate per la prevenzione dell'inquinamento attraverso la sintesi della rete di scambiatori di massa e l'integrazione di massa, che permette l'uso minimo di agenti di separazione di massa come ad esempio adsorbents, solventi, ecc., traducendo a ridotto scarico dei rifiuti dagli impianti di processo.

Alcuni casi specializzati di lavoro di integrazione di massa meritano di essere menzionati come l'integrazione di acqua e idrogeno, dove le tecniche di integrazione dei processi permettono di identificare i flussi minimi di acqua e acque reflue dopo che il loro potenziale di recupero è massimizzato tra i vari processi di utilizzo dell'acqua nell'impianto.

Le strategie di riduzione dell'acqua includono:

Riutilizzo diretto: Utilizzo dell'acqua da un'operazione direttamente in un'altra senza trattamento
Riutilizzo rigenerativo: Trattamento dell'acqua per rimuovere i contaminanti prima del riutilizzo
Riciclo di rigenerazione: Trattare l'acqua e restituirla alla stessa operazione
Analisi Cascade: fonti e lavelli di acqua compatibili sistematicamente in base ai requisiti di qualità

Approcci di programmazione matematica

Due approcci distinti all'interno della famiglia di integrazione del processo includono analisi pizzico e tecniche di programmazione matematica, con entrambi i vantaggi e limitazioni - analisi pizzico fornisce buone intuizioni per i progettisti, ma ha una capacità limitata nell'ottimizzazione dei costi, mentre la programmazione matematica è in grado di superare tali limitazioni e affrontare casi complessi, anche se soffre della mancanza di fornire buone intuizioni per i progettisti di processo.

Le formulazioni di programmazione matematica per l'integrazione di processo implicano in genere:

Variabili decisionali che rappresentano portate, temperature e dimensioni delle attrezzature
Funzioni Obiettivo minimizzare i costi, il consumo energetico o l'impatto ambientale
Constraints assicurano bilanci di massa ed energia, limitazioni di attrezzature e requisiti di sicurezza
Algoritmi di ottimizzazione per trovare soluzioni ottimali o quasi ottimali

Le tecniche di analisi e programmazione matematica si completano bene a vicenda nella soluzione di vari problemi industriali. Gli approcci moderni spesso combinano entrambe le metodologie, utilizzando analisi pizzicanti per le intuizioni iniziali e la proiezione, seguita da ottimizzazione matematica per il design dettagliato.

Strumenti di simulazione di processo e software

Un simulatore di processo (AspenPlus, gPROMS, Hysys, Aveva Pro/II) è uno strumento che viene utilizzato universalmente nell'istruzione e nella pratica industriale ogni giorno in tutto il mondo, inclusi modelli di processo, database, risolutori numerici, ecc., e che consente la modellazione e/o la simulazione di una vasta gamma di processi.

Simulazione dinamica e stabile

Piattaforme di simulazione di processo avanzate come AVEVA Process Simulation supportano sia la simulazione a stato costante che quella dinamica all'interno di un unico ambiente, consentendo agli ingegneri di testare, ottimizzare e scalare le tecnologie a basso tenore di carbonio in tutto il ciclo di vita del processo, dalla progettazione concettuale alle operazioni e allo sviluppo di strategia di controllo.

La simulazione dello stato steady si concentra su:

Bilancia materiali ed energetici in condizioni di equilibrio
Valutazione delle prestazioni e del dimensionamento dell'attrezzatura
Ottimizzazione del processo e analisi della sensibilità
Valutazione economica e stima dei costi

Indirizzo di simulazione dinamica:

Procedure di avvio e di arresto
Progettazione e regolazione del sistema di controllo
Risposta a disturbi e disturbi
Analisi di sicurezza e scenari di emergenza

Capacità di simulazione sustainability-Focused

La simulazione di processo AVEVATM aiuta a scalare l'industria sostenibile con processi integrati di idrogeno, processi per le rinnovabili e calcoli di gas serra. Le piattaforme di simulazione moderne incorporano sempre più metriche e strumenti di sostenibilità, consentendo agli ingegneri di valutare le prestazioni ambientali a fianco dei tradizionali criteri tecnici ed economici.

Gli ingegneri possono progettare, testare e ottimizzare i processi industriali tradizionalmente resistenti al tempo e alle risorse, come la produzione chimica, la produzione di carburante e di energia, o l'elettrolisi dell'idrogeno, in un ambiente virtuale che rispecchia il mondo reale.

Strumenti integrati per il design sostenibile

Uno strumento integrato, ProCAFD, per la sintesi, il design e l'innovazione di processo sostenibili rappresenta l'evoluzione verso piattaforme complete che combinano molteplici aspetti del design sostenibile.

Questi strumenti integrati consentono agli ingegneri di:

Valutare più dimensioni di sostenibilità simultaneamente
Confrontare le configurazioni di processo alternative obiettivamente
Identificare gli scambi tra obiettivi concorrenti
Generare soluzioni Pareto-Ottima per problemi multi-oggettivi
Documento e comunicazione delle prestazioni di sostenibilità

Migliori Pratiche per il design dei processi sostenibili

L'implementazione delle migliori pratiche nel design dei processi sostenibili richiede un approccio sistematico che considera fattori ambientali, economici e sociali durante tutto il processo di progettazione, che sono stati sviluppati e perfezionati attraverso decenni di esperienza industriale e ricerca accademica.

Approccio di progettazione gerarchica

Un approccio gerarchico al design dei processi aiuta a gestire la complessità e garantisce che le considerazioni di sostenibilità siano incorporate ad ogni livello:

Batch vs. Continuous:[] Selezionare la modalità di funzionamento appropriata in base alla scala di produzione, alle caratteristiche del prodotto e alle considerazioni di sostenibilità
Struttura di input-output:[] Definire la struttura di processo generale, comprese materie prime, prodotti e sottoprodotti
Ricevi la struttura:[] Identificare le opportunità di riciclaggio di materiali e di energia all'interno del processo
Sistema di separazione:[] Sequenze di separazione efficienti per ridurre al minimo i consumi energetici e la generazione dei rifiuti
Integrazione di calore:[ Applicare analisi pizzicanti e integrazione di calore per ridurre al minimo il consumo di utilità
Progettazione dell'attrezzatura:[] Dimensione e specificare le attrezzature per soddisfare i requisiti di prestazioni in modo efficiente

Questo approccio gerarchico garantisce che le decisioni importanti che riguardano la sostenibilità siano prese in anticipo nel processo di progettazione quando hanno il maggior impatto e sono meno costose da implementare.

Strategie di Minimizzazione dei rifiuti

La minimizzazione dei rifiuti segue una gerarchia di approcci preferiti, spesso riassunti come "3Rs" o ampliati per includere strategie aggiuntive:

Ridurre:[] Minimizzare la generazione dei rifiuti alla fonte attraverso l'ottimizzazione dei processi, la selettività migliorata e l'uso efficiente delle materie prime
Ripristina:[] Trova applicazioni per flussi di rifiuti all'interno del processo o in altri processi senza un trattamento significativo
Ricevi: Recuperare e ritrattare i materiali per l'uso nelle stesse o diverse applicazioni
Ripristina: Estrarre materiali preziosi o energia dai flussi di rifiuti
Trattamento:[ Trasmettere rifiuti per ridurre il suo impatto ambientale prima dello smaltimento
Smaltire: Smaltire in modo sicuro i rifiuti residui che non possono essere ridotti, riutilizzati, riciclati o recuperati

L'automazione può rilevare e correggere gli errori in tempo reale, minimizzando i rifiuti materiali in ogni prodotto, e consente processi di riciclaggio avanzati in modo che i materiali possano essere riutilizzati all'interno del ciclo di produzione.

Integrazione delle risorse rinnovabili

La sostituzione delle tecnologie fossili con tecnologie a base di carbonio rinnovabili è di vitale importanza per lo sviluppo di processi chimici sostenibili in futuro, tuttavia, gli impatti al di là del cambiamento climatico dovrebbero essere valutati con attenzione per garantire che questa transizione verso prodotti chimici defossilizzati sia veramente sostenibile.

Le strategie per l'integrazione delle risorse rinnovabili includono:

Alimentazioni rinnovabili: Utilizzo di biomassa, CO2, o altre fonti di carbonio rinnovabili invece di combustibili fossili
Energia rinnovabile:[] Processi di alimentazione con fonti di energia solare, eolica, idroelettrica o altre fonti di energia rinnovabili
Green principi chimici:[] Progettare sintetizzazioni chimiche che utilizzano e generano sostanze con tossicità minima
Processi basati su di te:[ Svuotare catalizzatori e processi biologici che operano in condizioni miti

Alcuni componenti sono legati a concetti di risparmio energetico o di efficienza energetica, l'uso di energia rinnovabile, ecc., mentre altri aspetti sono focalizzati sugli approcci di gestione dei materiali per la minimizzazione delle esigenze di alimentazione per unità di prodotti di valore (s), riutilizzo, riciclaggio, materiali rinnovabili, ecc.

Intensificazione del processo

L'intensificazione del processo mira a raggiungere un miglioramento drammatico dell'efficienza, della sicurezza e della sostenibilità dei processi attraverso strumenti e metodi innovativi.

Reattori multifunzionali: Combinando la reazione e la separazione in un'unica unità
Microreattori: Utilizzando reattori di piccola scala con un maggiore calore e un trasferimento di massa
Distillazione reattiva:[ Performare la reazione e la separazione simultaneamente
Procedimenti di membrana: Utilizzo di membrane selettive per separazioni efficienti
Fonti energetiche alternative:[] Impiegare microonde, ultrasuoni o altri input energetici non convenzionali

L'intensificazione dei processi può portare a piccole impronte di apparecchiature, a costi ridotti di capitale, a una maggiore sicurezza e a un minore impatto ambientale. Tuttavia, è necessario un'attenta analisi per garantire che l'intensificazione migliora veramente la sostenibilità globale piuttosto che creare nuovi problemi.

Monitoraggio e miglioramento continuo

I sistemi di controllo automatizzati possono monitorare e regolare l'uso dell'energia in tempo reale, ottimizzando il consumo di energia elettrica, calore e altre forme di energia, che riducono l'impronta ambientale delle operazioni industriali, ma offre anche risparmi significativi per le imprese.

I programmi di monitoraggio e miglioramento efficaci includono:

Key Performance Indicators (KPIs):[] Stabilire metriche per monitorare le prestazioni di sostenibilità
Monitoraggio a tempo reale:[] Utilizzo di sensori e analisi dei dati per monitorare continuamente le prestazioni del processo
Benchmarking:[] Confronto delle prestazioni rispetto agli standard e alle best practice del settore
Analisi causa di botti:[ Indagare deviazioni e identificare le cause sottostanti
Continuo miglioramento della cultura:[ Incoraggia tutto il personale a identificare e implementare miglioramenti

Gli approcci di controllo dei processi dovrebbero agire contro instabilità inaspettate quando il processo diventa instabile nel tempo e/o a causa di cambiamenti nella composizione dei mangimi e nella portata, temperatura e pressione, e dovrebbe essere in grado di eseguire transizioni a diverse condizioni operative e stati desiderati per soddisfare le richieste di società e consumatori, economia, processi e specifiche di prodotto, nuove normative ambientali, sicurezza, gestione eventi cronici a bassa dose, ecc.

Metodi e strumenti di calcolo avanzati

Il design moderno e sostenibile dei processi si basa su metodi di calcolo sofisticati e strumenti computazionali che consentono agli ingegneri di analizzare sistemi complessi e ottimizzare contemporaneamente più obiettivi.

Ottimizzazione multi-obiettivo

Il problema multi-oggettivo è risolto utilizzando il metodo di costrizione epsilon per ottenere le frontiere ottimali di Pareto che rivelano il trade-off tra le dimensioni ambientali ed economiche del problema di progettazione sostenibile del processo.

Gli approcci comuni all'ottimizzazione multi-oggettiva includono:

Metodo di somma uscita:[] Combinando obiettivi multipli in un unico obiettivo utilizzando fattori di ponderazione
Metodo di vincolo psilon: Ottimizzare un obiettivo mentre si limitano gli altri
Ottimizzazione del Pareto: Identificare l'insieme di soluzioni non dominate
Programmazione del canale:[ Minimizzando le deviazioni dai valori target specificati
Algoritmi evolutivi:] Utilizzo di metodi ispirati alla natura per esplorare lo spazio della soluzione

Questi metodi consentono ai decisori di comprendere i trade-off e selezionare soluzioni che meglio si allineano alle loro priorità e vincoli.

Ottimizzazione delle sovrastrutture

Uno strumento generale, Super-O, per la sintesi dei processi basata sull'ottimizzazione delle sovrastrutture rappresenta un approccio avanzato al design dei processi. L'ottimizzazione delle sovrastrutture comporta la creazione di una rappresentazione completa di tutte le possibili configurazioni di processo e l'ottimizzazione matematica per identificare il miglior design.

L'approccio di sovrastruttura in genere coinvolge:

Definire una sovrastruttura che include tutte le possibili alternative di processo
Formulazione di modelli matematici per ogni operazione e connessione di unità
Stabilire una funzione oggettiva e vincoli
Risolvere il problema di ottimizzazione risultante utilizzando algoritmi appropriati
Analizzare la soluzione ottimale e la sensibilità ai parametri

Metodi come l'ottimizzazione delle sovrastrutture, l'integrazione dei processi, l'intensificazione dei processi, tra gli altri, e le loro applicazioni per la progettazione sostenibile e la sintesi dei sistemi energetici sono diventati un settore di ricerca attivo, che è particolarmente prezioso per sistemi complessi in cui la configurazione ottimale non è evidente e dove considerazioni di sostenibilità interagiscono con fattori tecnici ed economici in modi non intuitivi.

Riconciliazione dei dati e analisi degli errori

Le tecniche di riconciliazione dei dati, spesso impiegate nell'ingegneria chimica, utilizzano metodi statistici per regolare i dati misurati per soddisfare i vincoli di Material Balance, che non solo migliora l'accuratezza delle stime di flusso dei materiali, ma identifica anche potenziali errori di misura o perdite nel sistema.

La riconciliazione dei dati è essenziale per:

Migliorare l'accuratezza delle misurazioni di processo
Rilevamento e diagnosi degli errori di misura
Identificare le perdite di processo o i flussi non misurati
Fornire dati affidabili per l'ottimizzazione dei processi
Sostenere la conformità e la segnalazione delle normative

La tecnica utilizza misure ridondanti e principi di conservazione per stimare i valori più probabili veri delle variabili di processo, contabilizzazione dell'incertezza di misura e errori sistematici.

Economia circolare ed ecologia industriale

L'economia circolare rappresenta un passaggio fondamentale dal modello tradizionale lineare "take-make-dispose" ad un sistema rigenerativo dove le risorse vengono mantenute in uso per il più lungo tempo possibile, estraendo il massimo valore prima del recupero e della rigenerazione.

Principi di economia circolare nel design dei processi

Con l'economia circolare (CE) che sta ottenendo una maggiore trazione in tutto il mondo, le autorità locali si impegnano a sviluppare strategie circolari a livello urbano, con lo sviluppo e il monitoraggio di tali strategie che richiedono informazioni quantitative dettagliate sui flussi materiali ed energetici, che possono essere ottenuti attraverso un'analisi del metabolismo urbano (UM).

I principi chiave dell'economia circolare per il design di processo includono:

Progettare rifiuti:[] Eliminare rifiuti e inquinamento attraverso un design attento
Prodotti e materiali in uso:[ Progettazione per la durevolezza, il riutilizzo, la riproduttività e il riciclaggio
Rigenerare sistemi naturali:[ Riportare nutrienti preziosi al suolo e ad altri ecosistemi
Utilizzare l'energia rinnovabile:[] Processi di energia con fonti di energia rinnovabili
Pensate ai sistemi:[ Considerare il contesto più ampio e le interconnessioni

Una transizione economica circolare sostenibile richiede la progettazione di strategie olistiche che non solo mirano a ridurre i risultati del sistema attraverso la ricircolo dei materiali, ma anche a ridurre i suoi input attraverso un uso ridotto e più efficiente delle risorse.

Simbiosi industriale

La simbiosi industriale comporta la creazione di reti in cui rifiuti o sottoprodotti di un processo diventano materie prime per un altro, imitando gli ecosistemi naturali in cui i rifiuti di un organismo diventano cibo per un altro.

La simbiosi industriale di successo richiede:

prossimità geografica delle strutture partecipanti
Flussi di rifiuti compatibili e requisiti materiali
Utile economico degli scambi materiali
Quadri regolatori che facilitano piuttosto che ostacolano gli scambi
Fiducia e collaborazione tra le organizzazioni partecipanti
Infrastrutture per la raccolta, lo stoccaggio e il trasporto di materiali

L'analisi dei flussi materiali svolge un ruolo cruciale nell'individuazione delle opportunità di simbiosi industriale mediante la mappatura dei flussi di materiali e l'individuazione di potenziali corrispondenze tra generatori di rifiuti e potenziali utenti.

Concetti di biorefineria

Tre aree tecnologiche (interconnesse tra loro) che influenzano la sostenibilità della terra, ovvero processi chimici legati alla cattura e all'utilizzo di CO2, biorefinerie e desalinizzazione dell'acqua sono selezionati per evidenziare le opinioni e la necessità di ulteriori sviluppi di strumenti informatizzati.

Le considerazioni di progettazione della biorefineria includono:

Selezione e sostenibilità della supply chain
Selezione della tecnologia di conversione (biochimica, termochimica o ibrida)
Ottimizzazione del portafoglio prodotti per massimizzare il valore
Integrazione con le infrastrutture e le industrie esistenti
Integrazione dell'acqua e dell'energia per ridurre al minimo il consumo di risorse
Valutazione dell'impatto ambientale attraverso il ciclo di vita completo

Sfide e direzioni future

Mentre sono stati compiuti progressi significativi nel processo di progettazione sostenibile, rimangono diverse sfide che richiedono una ricerca e uno sviluppo continuati.

Limitazioni attuali

Questi metodi utilizzano gli ultimi progressi nell'ingegneria dei sistemi di processo, ma sono in ritardo nell'uso dei progressi in ingegneria sostenibile, con più lavoro necessario per considerare gli impatti sul limite del ciclo di vita completo, e per garantire che i disegni sostenibili non superino la capacità della natura di fornire i beni e servizi ecosistemici necessari.

Le sfide principali includono:

Definizione del limite del sistema:[] Determinare i confini appropriati per l'analisi senza rendere il problema intrattabile
Data disponibilità e qualità:[] Ottenere dati affidabili per gli impatti ambientali e i flussi di risorse
Gestione dell'incertezza:[] Affrontare l'incertezza nelle condizioni future, nelle prestazioni tecnologiche e negli impatti ambientali
Integrazione su scala multipla:[] Collegare le decisioni a livello di processo con la supply chain e gli impatti su scala globale
Dimensione sociale:[] Adeguatamente incorporando aspetti di sostenibilità sociale in metodi di progettazione quantitativa

I maggiori ostacoli sono la divergenza degli orizzonti temporali, la scompaginazione dei confini del sistema, la qualità dei dati e la disponibilità, e la sottorappresentazione dei processi industriali, che sono particolarmente acuti quando si tenta di accoppiare diversi approcci di modellazione o di integrare in diverse scale di analisi.

Opportunità emergenti

Esistono opportunità per la comunità di Process Systems Engineering per sviluppare non solo i metodi e gli strumenti associati necessari, ma anche per contribuire allo sviluppo sostenibile attraverso soluzioni innovative.

Intelligenza artificiale e machine learning:[] Usando l'IA per ottimizzare i processi complessi, prevedere le prestazioni e identificare i modelli in grandi set di dati
Gemelli digitali:[] Creazione di repliche virtuali di processi per l'ottimizzazione in tempo reale e la manutenzione predittiva
Materiali avanzati:[] Sviluppare nuovi catalizzatori, sorbenti e membrane che consentono processi più efficienti e selettivi
Trattamento modulare e distribuito:[ Progettazione di sistemi flessibili e scalabili che possono essere implementati più vicino alle fonti di alimentazione o ai mercati
Integrazione con energia rinnovabile:[] Processi di progettazione che possono operare in modo flessibile con approvvigionamenti di energia rinnovabile variabili

Con l'adozione dell'Accordo di Parigi nel 2015, è diventato imperativo per l'industria chimica, che rappresenta circa il 10% delle emissioni globali di CO2 antropogenica, per passare gradualmente a percorsi produttivi più sostenibili, rendendo cruciale per considerare le metriche ambientali nell'analisi dei processi basati sul carbonio fossile attuali e nella progettazione di percorsi alternativi, di produzione chimica più pulita.

Ruolo dell'istruzione e della formazione

L'obiettivo del programma EngD è quello di sviluppare soluzioni sostenibili per l'industria, come nuove tecniche di processo e/o materiali che riducono significativamente l'impronta ecologica, con un'elevata domanda di ingegneri di processo altamente qualificati e specializzati per aiutare con la transizione ai processi produttivi sostenibili.

L'integrazione dei processi è anche ampiamente insegnata nei programmi universitari e applicata attraverso corsi di progettazione e il principale progetto di progettazione in tutto il mondo. L'istruzione e la formazione svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo della prossima generazione di ingegneri che possono progettare e implementare processi sostenibili.

Integrare i principi di sostenibilità in tutti i curricula dell'ingegneria
Fornire esperienza pratica con strumenti e metodi moderni
Sviluppare competenze interdisciplinari per affrontare complesse sfide di sostenibilità
Promuovere le prospettive di pensiero e ciclo di vita dei sistemi
Incoraggiare l'innovazione e risolvere i problemi creativi

Linee guida pratiche per l'attuazione

L'implementazione di un processo sostenibile richiede un approccio strutturato che considera fattori tecnici, economici, ambientali e organizzativi.

Pianificazione e esecuzione del progetto

Un approccio sistematico ai progetti di progettazione di processi sostenibili comprende:

Definire obiettivi e obiettivi:[ chiaramente articolare gli obiettivi di sostenibilità e i confini del progetto
Assemblare il team multidisciplinare:[ Includere competenze nell'ingegneria dei processi, nella scienza ambientale, nell'economia e nelle operazioni
Valutazione della linea di base del comportamento:[ Comprendere le prestazioni attuali e identificare le opportunità di miglioramento
Genera e alternative dello schermo:[ Sviluppare più opzioni di progettazione ed eliminare alternative chiaramente inferiori
Analisi dettagliata:[ Eseguire analisi tecniche, economiche e ambientali rigorose di alternative promettenti
Ottimizzazione:[] Utilizzare strumenti appropriati per ottimizzare i disegni selezionati
Valutazione del rischio:[ Identificare e valutare i rischi tecnici, economici e ambientali
Implementazione pianificazione:[ Sviluppare piani dettagliati per la costruzione, la messa in servizio e l'operazione
Monitoring e verifica:[ Istituisci sistemi per monitorare le prestazioni e verificare i benefici della sostenibilità

Impegno per gli azionisti

Il successo del design sostenibile dei processi richiede un impegno con diversi stakeholder, tra cui:

stakeholder interni:[ Gestione, operazioni, manutenzione, sicurezza e personale ambientale
Sport esterni:[] Regolatori, membri della comunità, clienti, fornitori e investitori
Esperti tecnici:[] Consulenti, fornitori di tecnologia e istituti di ricerca

L'impegno efficace degli stakeholder comporta una chiara comunicazione degli obiettivi, una condivisione trasparente delle informazioni, una considerazione delle diverse prospettive e una soluzione dei problemi collaborativi.

Gestione della documentazione e della conoscenza

La documentazione completa è essenziale per:

Catturare la logica e le decisioni del design
Facilitare l'approvazione regolamentare e permettere
Sostegno alle operazioni e alla manutenzione
Abilitazione di un miglioramento continuo
Lezioni di condivisione imparate in tutta l'organizzazione
Dimostrare le prestazioni di sostenibilità agli stakeholder

I moderni sistemi di gestione della conoscenza possono aiutare a organizzare e rendere accessibili la vasta quantità di informazioni generate durante i progetti di progettazione di processi sostenibili.

Applicazioni di studio dei casi

Le applicazioni del mondo reale dimostrano come i principi e i calcoli di progettazione dei processi sostenibili siano applicati in pratica in varie industrie.

Carbon Capture e Utilizzo

Questo approccio viene applicato alla progettazione di un processo di idrogenazione CO2 al metanolo, dove le prestazioni economiche e SDGs-based sono gli obiettivi ottimizzati, mostrando che il design ottimale per l'ambiente riduce l'impatto su SDG 13 (azioneclima) sostanzialmente rispetto alla controparte fossile aziendale-as-usuale (BAU), ma questo è fatto a scapito di peggiorare altre categorie.

Questo caso illustra l'importanza della valutazione globale della sostenibilità che considera più categorie di impatto piuttosto che concentrarsi esclusivamente sul cambiamento climatico.

Desalia dell'acqua

La dealizzazione dell'acqua rappresenta un'altra importante area di applicazione in cui i principi di progettazione dei processi sostenibili sono fondamentali.

Efficienza energetica dei processi di desalinizzazione
Gestione dello smaltimento concentrato
Integrazione con fonti energetiche rinnovabili
Minimizzazione dell'uso chimico e dello scarico
Impatto ambientale del ciclo di vita

I calcoli dei materiali e dell'equilibrio energetico sono fondamentali per ottimizzare i processi di desalinizzazione, mentre LCA aiuta a garantire che le soluzioni siano veramente sostenibili quando si considera il sistema completo.

Produzione di biocarburanti

La produzione di biodiesel, l'utilizzo di energia rinnovabile nella produzione alimentare e gli effetti della rete tra produzione di cemento e alcune industrie sono forniti come studi di caso. La produzione di biocarburante illustra la complessità del design di processo sostenibile, dove la sostenibilità del mangime, l'efficienza di conversione, l'utilizzo di co-prodotto e gli impatti del ciclo di vita devono essere considerati tutti attentamente.

I processi di biocombustibilità di successo sono in genere caratterizzati da:

Sourcing alimentare sostenibile che non compete con la produzione alimentare
Efficienza di conversione elevata attraverso condizioni di processo ottimizzate
Valutabile utilizzo di coprodotti e sottoprodotti
Integrazione di flussi di calore e di materiale per ridurre al minimo il consumo di utilità
Bilancio energetico netto positivo e riduzione del gas serra

Considerazioni normative e politiche

Il design dei processi sostenibili deve navigare in un paesaggio normativo sempre più complesso, rispondendo anche alle iniziative di sostenibilità volontaria e alle pressioni di mercato.

Regolamento ambientale

Tra i principali quadri normativi che interessano la progettazione sostenibile dei processi figurano:

Regolamenti di qualità dell'aria:[ Limiti sulle emissioni di criteri inquinanti, inquinanti atmosferici pericolosi e gas serra
Regolamenti di qualità dell'acqua:[ Limiti di scarico per inquinanti convenzionali e tossici
Regolamentazione di gestione dei rifiuti:[ Requisiti per la gestione e lo smaltimento dei rifiuti pericolosi e non pericolosi
Regolamentazione di sicurezza chimica:[ Registrazione, valutazione e autorizzazione di prodotti chimici
Energy efficiency standards:[ Requisiti o incentivi per operazioni a basso consumo energetico

Il design dei processi sostenibili dovrebbe mirare a superare i requisiti normativi minimi, anticipando le future normative e dimostrando la leadership ambientale.

Iniziative e standard volontari

Molte organizzazioni partecipano a iniziative di sostenibilità volontarie come:

ISO 14001 Sistemi di gestione ambientale
ISO 50001 Sistemi di gestione dell'energia
Programma di cura responsabile per l'industria chimica
Obiettivi basati sulla scienza per la riduzione del gas serra
Standard e certificazioni di sostenibilità specifici per l'industria

Queste iniziative prevedono dei quadri di miglioramento sistematico e dimostrano l'impegno per la sostenibilità verso gli stakeholder.

Incentivi economici

Vari meccanismi economici possono sostenere la progettazione sostenibile dei processi:

Carbon pricing attraverso le imposte o sistemi di cap-and-trade
Crediti e sovvenzioni per l'energia rinnovabile
Incentivi fiscali per il miglioramento dell'efficienza energetica
Obbligazioni verdi e meccanismi di finanza sostenibile
Prezzi premium per prodotti sostenibili

La comprensione e la valorizzazione di questi incentivi possono migliorare la redditività economica dei progetti di processo sostenibili.

Conclusione e Outlook futuro

Il design dei processi sostenibili rappresenta una capacità critica per affrontare le sfide ambientali del XXI secolo, mantenendo la prosperità economica. L'obiettivo dell'ingegneria dei sistemi di processo sostenibile presenta sfide formidabili a causa della complessa natura dei sistemi industriali, ecologici, economici e sociali che interagiscono. Tuttavia, gli strumenti, i metodi e le migliori pratiche discusse in questo articolo forniscono una solida base per rispondere a queste sfide.

Il campo continua ad evolversi rapidamente, guidato da progressi nelle capacità computazionali, da una crescente consapevolezza ambientale e da crescenti pressioni normative e di mercato per la sostenibilità. Un approccio di sistemi in cui la sintesi, il design e l'analisi sostenibili basati sul modello servono come opportunità per affrontare le sfide sarà essenziale per sviluppare le soluzioni innovative necessarie per un futuro sostenibile.

Il successo nel processo sostenibile richiede l'integrazione di più discipline, considerando obiettivi multipli e il pensiero su più scala, dal molecolare al globale, e richiede analisi quantitativa rigorose, combinate con il pensiero creativo di problem solving e sistemi.

Mentre procediamo avanti, i principi e le pratiche del design dei processi sostenibili diventeranno sempre più centrali nell'educazione e nella pratica ingegneristica. La prossima generazione di ingegneri deve essere equipaggiata non solo con competenze tecniche ma anche con la prospettiva più ampia e l'impegno necessario per creare processi che realmente servono le esigenze delle generazioni attuali e future, nel rispetto dei confini planetari.

Per ulteriori informazioni sulle pratiche di ingegneria sostenibile, visitare il Istituto americano delle risorse di ingegneria chimica Sostenibilità]. Ulteriori indicazioni sulla valutazione del ciclo di vita possono essere trovate al U.S. EPA Sustainable Materials Management]] pagina