Análisis de la entrada
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NOP http://www.oc-praktikum.de Análisis de la entrada Resumen El análisis de la entrada es un método para detectar los primeros puntos débiles de los productos y los procesos. Se basa en la norma ISO 14040 sobre la forma de llevar a cabo los ecobalances. En contarste con los ecobalences no se incluye ninguna valoración del impacto. Las estimaciones se basan en el análisis de los materiales y el flujo de energía. El sigiente ejemplo de un análisis de la entrada sirve para demostrar el procedimiento del método de análisis. Los rsultados obtenidos en este ejemplo se estudiarán en otro momento (ver el punto “Aspectos medioambientales del suministro de energía a las reacciones químicas”). Un ejemplo del análisis de la entrada La reacción “acetilación catalizada por ácidos de 3-nitrobenzaldehido con etanodiol para dar 2-(3-nitrofenil)-1,3-dioxolano” se ha tomado com ejemplo para el análisis de la entrada. De esta forma se han comparado el método clásico de llevar a cabo la reacción con el uso alternativo de microondas. Entre los méodos clasicos de calefacción se han empleado mantas calefactoras y baños de aceite como elementos de comparación. Existen diiferentes niveles n el análisis. En el primer nivel, el nivel de reacción, se examinan únicamente el material y el flujo de energía que se encuentran directamente relacionados con la reacción. En el segundo nivel, el nivel de síntesis, se tienen en cuenta la reacción y la elaboración posterior. El tercer y último nivel es un punto de vista holístico o recopilatorio. En este nivel se hace el balence de todos los datos de entrada desde el estudio de los materiales brutos al producto final (no se tienen en cuenta los materiales de deshecho y su eliminación porque se supone que es algo constante en los diversos métodos). En la Fig. 1 se representa esquemáticamente el área de análisis subyacentely. 1 NOP http://www.oc-praktikum.de Fig. 1: Diversos niveles de consideración en el estudio de la síntesis El análisis de la entrada tiene en cuenta el consumo de materiales en cuanto a su cantidad. En este método no se tienen en cuenta las toxicidades potenciales de cada una de las sustanciasT. De esta forma no es posible obtener conclusiones absolutas en cuanto a la contaminación medioambiental. Sin embargo,el método si permite revelar los puntos débiles que relacionan el proceso con los pequeños gastos, contribuyendo a la mejora de los procedimientos. Registro de datos en la reacción Los flujos de entrada y salida en los diferentes niveles de consideración s registran por las correspondientes medidas, tal y como se describen a continuación. Las masas de los materiales empledos se toman como se indican en las instrucciones. El dato de consumo de energía se registra empleando un instrumento de medida convencional, y se mide el consumo de agua de refrigeración. 2 NOP http://www.oc-praktikum.de Flujos de materia y energía en la reacción – Entrada Demanda energética Reactivos y compuestos auxiliares Baño de Manta de 3-Nitrobenzaldehido Etilenglicol Acido 4-Toluensulfónico- aceite 7.55 3.42 calefacción 7.55 3.42 0.40 Microondas 7.55 3.42 g g 0.40 0.40 g 90.0 90.0 --- cm3 Agua de refrigeración 12.1 12.1 --- dm3 Suministro de energía térmica Agitación 1444 18 1008 18 180 54 kJ kJ 43 kJ Monohidrato Ciclohexano Regulador criostático de 43 43 temperatura/bomba de aceite Tabla 1: Flujos de materia y energía en la reacción – Entrada Flujo de materia y energía de la síntesis (Reacción y Elaboración) – Entrada Demanda energética Reactivos y compuestos auxiliares Baño de Manta de 3-Nitrobenzaldehido Etilenglicol Acido 4-ToluensulfónicoMonohidrato Ciclohexano Agua de refrigeración Eter de Petroleo (40-60) Dietil eter Suministro de energía térmica Agitación Bomba de aceite/Criostato aceite 7.55 3.42 calefacción 7.55 3.42 0.40 7.55 3.42 g g 0.40 0.40 g 90.0 12.8 25.0 25.0 1627 18 90.0 12.5 25.0 25.0 1044 18 --0.4 25.0 25.0 216 54 cm3 dm3 cm3 cm3 kJ kJ 86 86 86 kJ Tabla 2: Flujo de materia y energía de la síntesis – Entrada 3 Microondas NOP http://www.oc-praktikum.de Flujo de materia y energía de la síntesis – Salida Baño de Manta de aceite 108.16 7.8 12.8 Desechos 1,3-Dioxolano Agua de refrigeraciónr calefacción 108.16 7.8 12.5 Microondas 47.31 7.8 0.4 g g dm3 Tabla 3: Flujo de materia y energía de la síntesis – Salida Las entradas y salidas en los nivesles de reacción y de síntasis son comparativamente fáciles de determinar debido al limitado número de flujos diferentes. Es claramente más dificil registrar el flujo de materia dsde un punto de vista holístico. Por esta razón, los datos deben obtenerse de diversas fuentes y unirse despues. Flujo de materia y energía – Punto de vista holíistico Los flujos de materia y energía desde un punto de vista holístico son bastante extensos. Por esta razón se hen incluido en el apéndice de esta descripción. Una vez determinados los flujos de materia y energía, se comparan los datos de los diferentes experimentos y se evaluan, considerando los niveles analizados. Evaluación La evaluación de los experimebtos tiene dos aspectos. En primer lugar se evalua el flujo de material y en segundo lugar el flujo de energía. Consumo energético Es facil ver que en este caso el uso de las microondas representa el método más favorable desde el punto de vista energético. Los cortos tiempos de reacción juegan aquí un papel sobresaliente. En las variantes clásicas es preferible el suministro de energía usando una manta calefactora. En este caso la razón se encuentra en el mejor aislamiento del cestillo calefactor en comparación con el baño de aceite. En la Tabla 4 se recogen los datos de la energía eléctrica necesaria para cada versión del proceso. 4 NOP http://www.oc-praktikum.de Baño de Manta de aceite calefacción 277 1505 1069 kJ 79 227 79 kJ 356 1732 1148 kJ Microondas Energía necesaria para la reacción Energía necesaria para la elaboración Energía necesaria total Tabla 4: Consumo energético en cada versión del proceso Entre las diferencias en el consumo de energía son interesantes las variaciones en su distribución dentro de la síntesis. En el caso de la síntesis estudiada en este caso, puede verse que la contribución de la elaboración en el consumo de energía es despreciable en comparación con la energía de la reacción. Por esta razón, las posibles mejoras deben realizarse en la reacción y no en el método de elaboración. El porcentaje del consumo energético de la elaboración sobre la energía total se muestra en la Fig. 2. Fig. 2: Consumo de energía de la reacción y del procesado Consumo de materia La comparación de las variaciones analizadas en cuanto al flujo de materia indica que nuevamente es favorable el uso de microondas para la calefacción frente a los métodos 5 NOP http://www.oc-praktikum.de clásicos. El empleo de microondas puede llevarse a cabo sin necesidad de disolventes ni de agua de refrigeración empleando la misma cantidad de reactivos y catalizadores. Al considerar los procesos preliminares la ventaja descrita de las microondas se hace más patente. La eliminación del uso de ciclohexano como disolvente evita la contaminación medioambiental relativa a la producción de dicho compuesto. Desde un punto de vista holístico debe mencionarse también que la disminución en el consumo de energía conduce a menores consumos de las limitadas fuentes primarias de energía existentes como el carbón, los combustibles petrolíferos o el gas natural. Entre las diferencias en el consumo de energía son interesantes las variaciones en su distribución dentro de la síntesis. En el caso de la síntesis estudiada en este caso, puede verse que la contribución de la elaboración en el consumo de energía es despreciable en comparación con la energía de la reacción. Por esta razón, las posibles mejoras deben realizarse en la reacción y no en el método de elaboración. El porcentaje del consumo energético de la elaboración sobre la energía total se muestra en la Fig. 2. Fig. 2: Consumo de energía de la reacción y del procesado 6 NOP http://www.oc-praktikum.de Consumo de materia La comparación de las variaciones analizadas en cuanto al flujo de materia indica que nuevamente es favorable el uso de microondas para la calefacción frente a los métodos clásicos. El empleo de microondas puede llevarse a cabo sin necesidad de disolventes ni de agua de refrigeración empleando la misma cantidad de reactivos y catalizadores. Al considerar los procesos preliminares la ventaja descrita de las microondas se hace más patente. La eliminación del uso de ciclohexano como disolvente evita la contaminación medioambiental relativa a la producción de dicho compuesto. Desde un punto de vista holístico debe mencionarse también que la disminución en el consumo de energía conduce a menores consumos de las limitadas fuentes primarias de energía existentes como el carbón, los combustibles petrolíferos o el gas natural. Apéndice Los datos proporcionados en las tablas siguientes representan respectivamente la entrada o salida del ejemplo estudiado “Acetilación”. Los productos que no se relacionan directamente con la reacción se refieren a los procesos preliminares. Ejemplo: El lugnito que aparece en el listado de la entrada de la reacción se emplea para proporcionar la energía eléctrica usada en la reacción. 7 NOP http://www.oc-praktikum.de Tabla: Punto de vista holístico del flujo de Materia y Energía – Entrada Manta calefactora Compuestos químicos básicos Comp. quim. básicos, inorg. Hidrógeno carbonato de sodio Oxígeno Comp. quim. básicos, org. Dietil eter Eter de petróleo Tert. Buti metil eter Aire Compuestos químicos no básicos Acido 4-Toluensulfónico-Monohidrato Demanda de energía acumulada (CED) Minerales Sulfato sódico Materiales en bruto almacenados (RiD) Fuentes de energía (RiD) Lignito Gas natural Aceite mineral Madera Antracita Uranio Fuentes de energía no usadasenergéticamente (RiD) Bauxita Bentonita Sulfato cálcico Dolomita Hierro Caliza Grava Minerales (RiD) Fluoruro cálcico Cloruro sódico Microondas Baño de aceite 5.39 3.87 g g 5.39 3.87 g g 5.39 3.87 g g 17.84 16.60 79.81 1035.43 g g g g 17.84 16.60 79.81 1035.43 g g g g 17.84 16.60 79.81 1035.43 g g g g 400.00 20368.13 mg 400.00 kJ 13351.52 mg 400.00 kJ 22362.69 mg kJ 43142.86 mg 43142.86 mg 43142.86 mg 472.88 98.38 59.52 3.70 137.11 7.07 g g g mg g mg 386.99 42.36 14.46 3.70 105.83 7.07 g g g mg g mg 536.03 101.62 60.36 3.70 158.70 7.07 g g g mg g mg 32.89 14.59 1.46 0.61 55.86 15323.53 0.15 mg mg mg mg mg mg mg 0.05 9.47 2.23 0.22 0.09 8.24 14114.45 0.02 kg mg mg mg mg mg mg mg 0.05 32.89 14.59 1.46 0.61 55.86 16175.79 0.15 kg mg mg mg mg mg mg mg 0.09 153.69 mg 0.09 mg 95.43 8 mg 0.09 mg 153.69 mg mg NOP http://www.oc-praktikum.de Continuación Manta calefactora Microondas Baño de aceite Olivina Arena Pizarra Azufre Arcilla Agua 0.46 277.08 4.03 35263.64 1.25 380.30 mg mg mg mg mg kg 0.07 269.87 0.65 35255.11 0.14 305.82 mg mg mg mg mg kg 0.46 277.08 4.03 35263.64 1.25 389.35 mg mg mg mg mg kg kJ kg 20368.13 382.32 kJ kg 13351.52 307.62 kJ kg 22362.69 391.46 kJ kg 9 NOP http://www.oc-praktikum.de Tabla: Punto de vista holístico del flujo de Materia y Energía – Salida Manta calefactora Resíduos Resíduos para eliminar (WfD) Resíduos para combustión 108.12 Resíduos, como los de tipo casero 62.02 Resíduos, otros (WfD) Lodos residuales 2.92 Resíduos, sin specíficar 213.75 Inservible 3019.41 Cenizas 8696.78 Metales 0.48 Resíduos radiactivos (muy radiactivo) Resíduos peligrosos 2.89 Resíduos especiales 42.42 Resíduos reutilizables (WfE) Resíduos, otros (WfE) Cenizas 4907.43 Polvo filtrado 2301.52 Yeso (REA) 7946.59 Cenizas gruesas 344.03 Sulfato sódico 75.49 Bolas de cámaras fundidas 2884.42 Mezclas potencialmente reciclables 10.41 Cenizas de lechos fluidos 230.15 Resíduos sin especificar 30.92 Acido diluido de la nitración con trazas de nitrato 1075.51 Compuestos químicos básicos Comp. quim. básicos, inorg. Hidrógeno carbonato sódico 5.39 Comp. quim. básicos, org. 0.08 Acido benzoico 2272.18 Acido malico 2272.18 Tert. Butilmetileter 79.81 Emisiones (suelo) 10 Microondas Baño de aceite g 108.12 mg 62.02 g 38.01 mg 6.35 g mg mg mg g mg mg mg mg g mg mg mg mg g mg mg 3.57 213.75 3019.41 12917.99 0.48 2.05 153.60 3018.85 2843.89 0.09 mg 2.89 mg 47.90 mg 2.89 mg 3.67 mg mg mg mg mg mg mg mg mg mg mg 7312.27 2301.52 7946.59 344.03 75.49 2884.42 10.41 230.15 41.83 mg mg mg mg mg mg mg mg mg 1641.61 2301.52 7946.59 344.03 75.49 2884.42 mg mg mg mg mg mg 230.15 16.10 mg mg g 1075.51 g 1075.51 g g kg mg mg g 5.39 0.08 2272.18 2272.18 79.81 g kg mg mg g 5.39 0.08 2272.18 2272.18 79.81 g kg mg mg g NOP http://www.oc-praktikum.de Continuación Manta calefactora Microondas Baño de aceite Metales (W) Aluminio Plamo Manganeso 1.63 0.30 0.58 mg 1.63 mg 0.30 mg 0.58 mg 0.59 mg 0.30 mg 0.58 mg mg mg Metales sin especificar 21.92 mg 21.92 mg 5.35 mg Molibdeno 0.07 mg 0.07 mg 0.07 mg Sodio 14.84 mg 14.84 mg 3.12 mg Uranio 0.10 mg 0.10 mg 0.10 mg Vanadio Emisiones (aire) Partículas Polvo Polvo (>PM10) Polvo (PM10) Compuestos inorg. (L) Amoniaco Cloruro de hidrógeno Monóxido de dinitrógeno Fluoruro de hidrógeno Dióxido de carbono (L) Dióxido de carbono fosil Monóxido de carbono Metales (L) Metales sin especificar Niquel Selenio NOx Radio núclidos (L) Radio núclidos, total Dióxido de azufre Sulfuro de hidrógeno Hidrógeno VOC (L) Metano NMVOC (L) 0.06 mg 0.06 mg 0.06 mg 0.14 218.43 9.36 21.87 mg mg mg mg 0.14 291.38 9.36 21.87 mg mg mg mg 0.14 61.94 9.36 21.87 mg mg mg mg 22.17 61.60 482.77 8.39 1.03 1031.75 301.32 mg mg mg mg kg g mg 22.83 81.24 483.55 11.10 1.15 1154.70 315.80 mg mg mg mg kg g mg 18.73 33.74 481.71 4.71 0.77 768.98 180.62 mg mg mg mg kg g mg 0.16 0.09 0.09 1997.64 431.85 431852 2729.63 0.18 1.56 mg mg mg mg kBq Bq mg mg mg 0.16 0.10 0.09 2144.39 431.85 431852.39 3253.10 0.18 1.56 mg mg mg mg kBq Bq mg mg mg 0.02 0.08 0.09 1368.71 431.85 431852.39 1706.05 0.18 0.65 mg mg mg mg kBq Bq mg mg mg 2420.85 mg 2748.18 11 mg 1533.88 mg NOP http://www.oc-praktikum.de Continuación Manta calefactora Microondas Baño de aceite Benceno NMVOC, aromáticos, sin especificar Hexano NMVOC, conteniendo oxígeno(L) Formaldehido NMVOC, sin especificar VOC (hidrocarburos) Emisiones (Agua) Emisiones (W) Carbonato Cloruro Sólidos, disuelos Sólidos, suspendidos Fluoriro Acidos como H(+) Amoniaco Amonio 0.13 4.39 0.12 0.00 0.08 175.02 108.74 mg mg mg kg mg mg mg 0.17 4.39 0.12 0.00 0.08 178.75 108.74 mg mg mg kg mg mg mg 0.08 0.75 0.12 0.00 0.08 169.95 mg mg mg kg mg mg 13.72 120.24 10.78 15.98 0.13 4.05 0.29 1.42 mg mg mg mg mg mg mg mg 13.72 120.24 10.78 15.98 0.13 4.05 0.29 1.42 mg mg mg mg mg mg mg mg 2.01 67.86 3.57 3.21 0.13 0.62 0.29 1.16 mg mg mg mg mg mg mg mg Nitrato Compuestos de nitrógeno, sin especificar Sulfato Compuestos, inorgánicos (W) Choro Detergentes, aceite Hidrocarburos (W) Hidrocarburos, sin especificar Hidrocarburos, sin especificar Fenoles Compuestos, org., disueltos Compuestos, org., sin especificar Parámetros indicadores BSB-5 CSB TOC Compuestos químicos no básicos 1.3 Dioxolano 3 Minerales 0.42 0.49 628.11 mg 0.42 mg 0.49 mg 628.11 mg 0.16 mg 0.17 mg 609.93 mg mg mg 0.87 4.01 mg 0.87 mg 4.01 mg 0.87 mg 0.43 mg mg 3.03 0.65 0.07 1.17 0.13 mg mg mg mg mg mg 0.42 mg 0.65 mg 0.00 mg mg mg mg mg 2.55 15.76 1.37 mg 2.55 mg 15.76 mg 1.37 mg 0.71 mg 4.03 mg 1.37 mg mg mg 7800.00 mg 7800.00 mg 7800.00 mg 12 3.03 0.65 0.07 1.17 0.13 NOP http://www.oc-praktikum.de Continuación Manta calefactora Microondas Baño de aceite Yeso (REA) Sulfato sódico Agua 3125.44 43142.9 379.28 mg 4666.75 mg 43142.86 kg 388.15 mg 1032.30 mg 43142.86 kg 305.05 mg mg kg kJ kg 20368.1 382.32 kJ kg kJ kg kJ kg 13 22362.69 391.46 13351.52 307.62
