Industria del petróleo: residuos industriales generados en una refinería

ÍNDICE

RESUMEN        2

I.        INTRODUCCIÓN        3

II.        OBJETIVOS        5

2.1.        Objetivo General        5

2.2.        Objetivos Específicos        5

III.        MARCO TEÓRICO        6

3.1.        Conceptos        6

3.1.1.        Refinería de petróleo:        6

3.1.1.1.        Concepto:        6

3.1.1.2.        Industria del petróleo: residuos industriales generados en una refinería        6

3.1.1.3.        Procedencia y destino de los residuos sólidos        7

3.1.1.4.        Tratamiento de los residuos        8

3.1.2.        Compuestos fenólicos        10

3.1.3.        Tratamiento con microorganismos:        10

3.1.4.        Biodegradación:        11

3.1.4.1.        Biodegradación de fenol        11

3.1.5.        Cinética del crecimiento bacteriano        12

3.1.6.        Ecuaciones de Monod y Haldane        12

3.1.6.1.        La ecuación de Monod        13

3.1.6.2.        La ecuación de Haldane        13

3.2.        Modelo matemático        14

3.3.        Modelo cinético        14

3.4.        Cinética de crecimiento        16

3.5          Sistema software        16

3.6     Aplicaciones        18

IV.        METODOLOGÍA        20

V.        RESULTADOS        22

5.1.        Modelos de simulación y validación        22

5.2.        Aplicación software        24

VI.        CONCLUSIONES        25

VII.        RECOMENDACIONES        25

VIII.        REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS        26

IX.        ANEXOS        30

RESUMEN

El presente trabajo consiste en la aplicación de un modelo matemático que trata de explicar el proceso de biodegradación del fenol en aguas residuales industriales de refinerías de petróleo. Este modelo matemático tiene el objetivo de describir el proceso de biodegradación del fenol de aguas residuales industriales de refinerías de petróleo. Ya que esto ayudará a determinar la permanencia del fenol y según ella la peligrosidad que puede tener en el medio ambiente para ver la mejor opción de remoción.

En el proceso del trabajo en la primera fase se evaluó las variables del determinado bio - proceso y a raíz de ello se utilizó un modelo matemático general que describe el proceso con respecto a las variables más importantes, también se utilizó la ecuación de Monod y Haldane para la cinética del crecimiento celular, los efectos de condiciones como pH, suministro de oxígeno y componentes inhibitorios del determinado proceso.

La aplicación del modelo matemático planteado y la ecuación cinética con ayuda de un software lograron describir las tendencias y el comportamiento de la biodegradación del fenol en las refinerías de petróleo.

1. INTRODUCCIÓN

El problema de la calidad del agua ha sido recurrente a lo largo de la historia, ya que su deterioro ha procedido en muchos casos de actividades antropogénicas. Así, los problemas actuales de contaminación ambiental por especies químicas tienen su origen mayoritario en el aumento de la descarga de residuos contaminantes y sustancias tóxicas generadas por la actividad industrial es actualmente, uno de los mayores problemas de contaminación ambiental. Entre los residuos contaminantes, las aguas residuales provenientes de los procesos de refinación de petróleo constituyen un grave problema de polución de los cuerpos de agua receptores. Esta agua, pueden contener, entre otros compuestos contaminantes, compuestos fenólicos, que por su toxicidad, generan graves problemas en los ecosistemas acuáticos. Es por ello que estas aguas tienen que ser tratadas antes de ser vertidas en los efluentes industriales. No obstante, el tratamiento de estos compuestos orgánicos implica, por lo general, tratamiento biológico, donde un grupo de microorganismos bajo condiciones ambientales adecuadas, es capaz de utilizar estos contaminantes como sustrato y eventualmente biodegradarlos de manera económica y eficaz. Sin embargo, el proceso de biodegradación del fenol en las aguas residuales de refinerías es un proceso bastante complejo, el cual puede ser considerado como un sistema que es afectado por muchas variables de proceso y condiciones ambientales, las cuales son generalmente inherentes al proceso de biodegradación.

Por lo tanto, el presente trabajo tuvo como objetivo general plantear y desarrollar un modelo matemático que describiera el proceso continuo de biodegradación de fenol que se lleva a cabo en la línea de tratamiento de las aguas residuales industriales, utilizando para ello las principales variables de operación.

En una primera fase, se realizó el planteamiento de un modelo matemático y la determinación de un modelo cinético general que consideraba el efecto de una serie de variables sobre la velocidad específica de crecimiento celular y velocidad de biodegradación de fenol. Dentro del planteamiento del modelo se determinaron los parámetros cinéticos ([pic 1], etc.), las condiciones operacionales y se evaluaron los efectos de algunos componentes inhibitorios presentes en las corrientes de agua de tratamiento.

En el presente trabajo, el conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias simultáneas obtenidas a partir del planteamiento del modelo matemático, fue resuelto mediante un método numérico (RungeKutta de cuarto orden). El desarrollo del modelo matemático y el diseño y puesta en marcha de una aplicación software, como herramienta metodológica, logró una mayor comprensión del proceso de biotransformación de fenol y la identificación de sus variables más relevantes. De esta manera, se evaluó la influencia de las diferentes variables e identificó aquellas que intervienen de una mejor forma en la eficiencia del proceso, lo cual ha permitido evaluar oportunidades de mejoramiento del proceso actual de remoción de compuestos fenólicos de las aguas residuales de refinería.

1. OBJETIVOS

1. Objetivo General

Describir y crear un modelo matemático a partir de variables involucradas en el proceso de biodegradación del fenol de aguas residuales industriales de refinerías de petróleo.

1. Objetivos Específicos

• Comprensión del proceso de biodegradación del fenol y la identificación de las variables más importantes para la creación del modelo matemático.
• Resolución de los problemas del modelo matemático con la utilización de una aplicación software como herramienta.
• Comprensión de los efectos de las diferentes variables usadas en el modelo matemático.

1. MARCO TEÓRICO

1. Conceptos

1. Refinería de petróleo:

1. Concepto: Es una planta de manufactura de productos químicos y combustibles, la materia prima es el petróleo crudo y los productos finales son la gasolina, el queroseno, gas, y otros productos útiles a los cuales denominamos derivados de petróleo.  (Torres Robles & Castr Arrellano, 2002)

2. Industria del petróleo: residuos industriales generados en una refinería

El petróleo, esa mezcla de compuestos orgánicos que sustenta nuestra civilización, se somete tras su extracción a procesos de desalado, calentamiento y destilación, para obtener butano, propano, gasolinas, queroseno, gasoil, fuel, etc. El coque de petróleo y el azufre son los residuos que quedan al final de estos procesos.

Los impactos ambientales de una destilería de petróleo son el resultado, principalmente, de las emisiones gaseosas, descargas de efluentes, desechos sólidos, ruido y olor además de efectos visuales o estéticos. Algunos de los principales residuos son:

• Las emisiones gaseosas constituyen los impactos ambientales más difíciles de controlar
• Los efluentes líquidos de las refinerías son conducidos a plantas de tratamiento de aguas residuales
• Las refinerías generan grandes cantidades de residuos sólidos
• El fuerte ruido es característico de la operación de destilería.

1. Procedencia y destino de los residuos sólidos

Según su procedencia, los residuos sólidos que se generan son los siguientes:

1. Destilación primaria y al vacío: Los residuales sólidos o semisólidos que se generan en esta fase del proceso lo constituyen los lodos aceitosos, lodos con sulfuro y óxidos de fierro, azufre nativo, cemento refractario, hollín, polvo y cañuelas.
2. Tanques de almacenamiento de crudo y productos: Se generan residuales como lodos con plomo orgánico y sulfuro férrico, borra, chatarra con plomo orgánico, y óxidos de fierro.
3. Separación de aceites e hidrocarburos: Se genera el semisólido borra.
4. Servicio administrativo y logístico: El desarrollo de la actividad humana dentro de la refinería genera residuos sólidos orgánicos e inorgánicos como: papel, cartón, alimentos perecibles, metales, plásticos, entre otros. (Espinoza E., 2003)

El destino actual de estos desechos es el siguiente:

1. Lodos: Mayormente se mezclan y sepultan con el suelo arenoso existente en la parte alta de la refinería.
2. Borra: Es dispuesta finalmente en una de las pozas de percolación existentes en las inmediaciones de la playa.
3. Chatarra: Es acumulada en una zona vecina a la ubicación de las pozas de percolación, y cada cierto tiempo subastada y vendida.
4. Residuos sólidos domésticos: Son almacenados en los diferentes ambientes donde se generan y posteriormente dispuestos en el camión recolector municipal. (Espinoza E., 2003)

1. Tratamiento de los residuos:

1. Pruebas de tratabilidad: El objetivo fue evaluar completamente la aplicabilidad de distintas opciones de tratamiento y servir como información de soporte para establecer los parámetros de diseño de la tecnología a seleccionar, siendo la meta primordial el estudiar la posibilidad de recuperar el hidrocarburo contenido en el lodo. El hidrocarburo recuperado puede ser destilado por la planta de procesamiento de slop de la refinería, constituyéndose en un valor económico potencial.
2. Selección de las opciones de tratamiento: En situaciones reales, una sola de las tecnologías a mencionar no es suficiente para tratar completamente el desecho, por lo que se hace necesario combinarlas para lograr un tratamiento y disposición satisfactoria; esto implica que los procesos deben estar combinados en trenes de tratamiento, de la misma manera que se hace para el tratamiento de aguas de proceso. (Espinoza E., 2003)

1. Reducción de volumen: La reducción de volumen o deshidratación/remoción de materia orgánica es esencial para el tratamiento de lodos petrolizados. Consiste en una operación unitaria que debe llevarse a cabo mediante filtros prensa, filtros de banda o centrífugas. El filtro prensa separa las fases líquidas (tanto acuosa como orgánica) de los sólidos. El sistema de centrífugas separa los sólidos mediante una centrífuga tipo "decanter" y posteriormente las fases orgánica y acuosa con una centrífuga de discos. Previo a alimentar los lodos al sistema de centrífugas, se adiciona un compuesto químico que desestabiliza la emulsión que conforma los lodos y favorece la separación física de sus componentes.
2. Desorción térmica: La desorción térmica, también llamada secado, es un proceso para remover orgánicos y agua de los sólidos. Estos procesos operan a mucho menor temperatura que los incineradores y en ausencia de oxígeno, puesto que no se pretende que exista combustión de los desechos. Las mezclas de orgánicos, agua y sólidos se calientan para separar los volátiles. El agua en el desecho se convierte en vapor y ayuda a despojar compuestos semivolátiles de punto de ebullición alto. Existen muchas variaciones diferentes de este tipo de proceso. (Espinoza E., 2003)
3. Extracción con solvente: La extracción con solvente es una operación unitaria actualmente bajo intensos estudios, la cual emplea una técnica para remover crudo y otros orgánicos atrapados en lodos de refinería. El proceso utiliza un solvente volátil para despojar los orgánicos del lodo de refinería. Entre los solventes utilizados se incluyen el propano, trietanolamina y CO2 líquido crítico. El solvente extrae el desecho orgánico, pero no remueve los metales pesados como plomo, arsénico y selenio contenidos, los cuales deben tratarse utilizando otra tecnología.
4. Biotecnología: La biotecnología utiliza biosurfactantes y/o microorganismos biodegradadores para tratar hidrocarburos. En el caso de los biosurfactantes, estos compuestos disminuyen la tensión superficial de las interfaces aceite/agua, permitiendo su separación en fases distintas y posterior recuperación del hidrocarburo. Los microorganismos presentes en el suelo pueden utilizarse para biodegradar hidrocarburos si se diseña la correcta combinación de nutrientes y oxígeno. (Espinoza E., 2003)

1. Compuestos fenólicos

Son compuestos orgánicos aromáticos que contienen el grupo hidroxilo como grupo funcional. Las concentraciones naturales de los compuestos fenólicos son inferiores a . estos son compuestos que son nocivos para los ecosistemas acuáticos, provocando en los organismos efectos adversos dependiendo de la concentración a los cuales se encuentra expuestos, esta es una sustancia que se encuentra clasificada como Compuesto Orgánico Volátil, por lo que puede contribuir a la formación de ozono troposférico, compuesto dañino para los cultivos y a la biodiversidad.[pic 2]

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