Análisis exergoeconocónico y exergoambiental de una planta de vainillina a partir de Lignina.

Abstract

Se llevó a cabo un análisis exergoeconómico y exergoambiental del proceso de producción de vainillina a partir de lignina. Con el objetivo de identificar y cuantificar las etapas con mayores ineficiencias termodinámicas expresadas en valores monetarios e impactos ambientales. En primera instancia, se simuló el proceso mediante el programa Aspen Plus v14, considerando una capacidad de producción de 0,23 ton/día de vainillina a 98% de pureza. A partir de la información entregada por el software (propiedades de las corrientes de materia y energía), se determinó el rendimiento del proceso. Seguidamente, se calcularon los contenidos exergéticos de cada corriente de materia y energía involucrada en el proceso. En el análisis exergoeconómico, se combinaron los principios exergéticos con un análisis económico convencional, evaluando los costos de adquisición, operación y mantenimiento de cada componente del proceso. Para el análisis exergoambiental, se integró el análisis exergético con la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV). En este estudio, se empleó el modelo de evaluación de impactos Ecoindicador 99, centrado en un punto de vista de daños y expresado en puntos (milipuntos, mPt). Esta metodología permite expresar cuantitativamente, el impacto ambiental de las etapas de compra, mantenimiento, operación y mantención que tienen los equipos de proceso. Ambas herramientas permiten evaluar el costo monetario y ambiental asociado a las ineficiencias termodinámicas de cada componente del proceso. La eficiencia exergética de la planta es de 34%, asociado principalmente a exergía destruida por corrientes de perdida y por la exergía destruida causada por las irreversibilidades de los equipos. El costo estimado de la corriente de vainillina es de 156 USD/kg con una pureza de 98,5% molar y un impacto ambiental de 2.178 mPt/kg. Finalmente, de este estudio se recomienda realizar un análisis exergoambiental o de ciclo de vida de la ruta forestal de la obtención de vainillina de alta pureza para determinar una puntuación de impacto ambiental más adecuada, ya que el impacto ambiental de la vainillina indicó ser diferente al impacto ambiental de los compuestos orgánicos promedio. Además, se concluye que hay un equipo del proceso que puede ser omitido, el condensador de D-101, por su alto costo económico y ambiental de la exergía destruida en este y su nula necesidad dentro del proceso.

This study achieved an exergoeconomic and exergoenvironmental analysis of the vanillin production process from lignocellulosic biomass. The study aimed to identify and quantify stages with high thermodynamic inefficiencies expressed in monetary costs and environmental impacts. Initially, the process was simulated using Aspen Plus v14 software, considering a production capacity of 0,23 ton/day of 98% vanillin purity. From the information provided by the software (properties of material and energy streams), the process yield was determined. Subsequently, the exergetic contents of each material and energy stream involved in the process were calculated, crucial aspects for evaluating efficiency and exergetic losses. This exergetic analysis constitutes the fundamental step for conducting the exergoeconomic and exergoenvironmental analysis of the plant. In the exergoeconomic analysis, exergetic principles were combined with conventional economic analysis, assessing the acquisition, operation, and maintenance costs of each component (equipment) of the process. For the exergoenvironmental analysis, exergetic analysis was integrated with the Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The Eco-indicator 99 impact assessment model was utilized to estimate the environmental impact caused by the extraction of raw materials, production, use, and disposal. The impact is expressed in points. (millipoints, mPt). This methodology allows us to quantitatively express the environmental impact of the purchase, maintenance, operation, and disposal stages of each process equipment. These tools allow evaluating the monetary and environmental costs associated with the thermodynamic inefficiencies of each process component. The plant's exergetic efficiency is 34%, mainly associated with exergy destroyed by the leakage streams and equipment irreversibilities. The estimated cost of vanillin was 156 USD/kg with a molar purity of 98,5% and an environmental impact of 2.178 mPt/kg. Finally, this study concludes that it is recommended to conduct an exergoenvironmental or life cycle analysis of the forest route for obtaining high-purity vanillin to determine a more suitable environmental impact score, as the environmental impact of vanillin was found to be different from the average organic compounds environmental impact. Additionally, it is concluded that there is equipment in the process that can be omitted, the D-101 condenser, due to its high economic and environmental cost of exergy destruction and its unnecessary need within the process.