Capitulo 5 metodo pinch PDF

Preview

Summary

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso 89 Capitulo 5 Análisis térmico en las corrientes de proceso. En la industria de los procesos químicos la preocupación de eficientar el uso de energía y la reducción de emisiones contaminantes, ha conducido a la generación de tecnologías para ...

Description

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

89

Capitulo 5 Análisis térmico en las corrientes de proceso. En la industria de los procesos químicos la preocupación de eficientar el uso de energía y la reducción de emisiones contaminantes, ha conducido a la generación de tecnologías para diseño o rediseño de procesos con niveles mínimos de consumo de energía. Una de estas tecnologías, es el análisis del punto Pinch que ha impactado en la manera en que se diseñan las redes de cambiadores de calor y por extensión se aplica también al diseño de redes de transferencia de masa. En este capitulo se presentan las bases de esta tecnología para el análisis térmico de las corrientes de proceso y lograr su integración térmica en redes de cambiadores de calor.

______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

90

5.1 Introducción. En el proceso de obtención de benceno por deshidrogenación del tolueno que se analizo en el capitulo 4, se puede usar un horno para calentar la carga al reactor y un enfriador a la salida para reducir la temperatura hasta 100 ºF. Pero satisfacer los requerimientos térmicos sólo con servicio es un derroche de energía. Se puede emplear un cambiador de calor que combine la carga fresca al reactor con la corriente de salida del reactor, para después poner un horno a fuego directo y elevar la temperatura de la alimentación hasta la requerida del reactor. De esta forma se puede reducir el consumo de energía usando servicios externos. Esta idea de satisfacer las necesidades de calentamiento y enfriamiento de las corrientes de proceso intercambiando calor entre ellas mismas, es la base del diseño de procesos ecoeficientes. La idea conlleva la preocupación del uso eficiente de la energía y al mismo tiempo reducir las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera. En la industria de los procesos químicos esta preocupación ha conducido a la generación de tecnologías para diseño o rediseño de procesos con niveles mínimos de consumo de energía, una de estas tecnologías, es el análisis del punto pinch que ha impactado en la manera en que se diseñan las redes de cambiadores de calor y por extensión se aplica también al diseño de redes de transferencia de masa. En este capitulo se presentan las bases de esta tecnología para el análisis térmico de las corrientes de proceso y definir un diseño del sistema de intercambio de calor y de recuperación energética de la planta, como se establece en el último nivel de la jerarquía de Douglas. Como introducción al método se da el siguiente ejemplo. Ejemplo5.1 Al analizar las corrientes de un proceso alrededor de un reactor, con corriente de salida que se enfría de 200 ºC a 100 °C, en un enfriador con agua, cuyo producto del flujo por la capacidad calorífica (que no varia con la temperatura) es FCp=2 kW/ºC. La corriente de entrada al reactor debe calentarse desde 30ºC hasta 230ºC con un FCp=1 kW/ºC, para ello se usa un calentador con vapor. Investíguese la posibilidad de integrar térmicamente estas corrientes para reducir el consumo de energía del vapor y agua de enfriamiento. Considere que la diferencia mínima entre las temperaturas de entrada y salida en cada extremo de los cambiadores de calor es de 10 ºC. Esta especificación de diseño se denomina acercamiento máximo entre las corrientes, ΔTmin =10ºC. Este valor se determina con un procedimiento denominado “Supertargeting”, el cual se estudiara más adelante. Se tienen las siguientes opciones. Opción 1: Opción base sin integración térmica: Usa 200 kW de enfriamiento con agua fría y 200 kW de calentamiento con vapor. Vapor

A. F. 200° C

100°

Reactor 230° C

30° C 200 kW

200 kW

Figura 5.1 Arreglo de cambiadores de calor sin integración térmica. ______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

91

Nótese que las cargas térmicas transferidas en cada intercambiador de calor se indican de bajo de los símbolos de cada intercambiador. Opción 2. Una estrategia más compleja sería usar el excedente de calor de la corriente caliente en la corriente fría, siempre que se tenga un gradiente de temperaturas entre las corrientes, de tal forma que permita la transferencia de calor de la corriente caliente a la fría. Al integrar el calor de las corrientes de proceso en un intercambiador de calor a contracorriente, después del enfriador de la figura 5.1, se tiene una recuperación de 120 kW entre las corrientes de proceso y solamente se requieren 80 kW de enfriamiento y de calentamiento. Se logra una disminución de 240 kW por uso de energía externa al proceso. El diagrama de proceso se muestra en la figura 5.2. Vapor

A. F.

30° C

200° C

Reactor

100° C

230° C 80 kW

80 kW

Figura 5.2 Arreglo de cambiadores de calor con integración térmica, opción 2. Opción 3. Integrar el calor de las corrientes de proceso en un intercambiador de calor a contracorriente con una recuperación de 160 kW. Se hace la integración térmica colocando el cambiador de calor integrado a la salida del reactor, antes del enfriador. El diagrama de proceso se da en la figura 5.3. Vapor

A. F.

30° 200° C Reactor

100° C

230° C 40 kW

40 kW

Figura 5.3 Arreglo de cambiadores de calor con integración térmica, opción 3. Con la opción 3 se tiene el mínimo consumo de energía por servicios externos de calentamiento con vapor 40 kW y de enfriamiento con agua fría 40 kW, este es el diseño óptimo, el cual se puede determinar con las gráficas de las curvas compuestas. Puesto que el criterio principal para establecer el diseño de los procesos es proponer arreglos de equipos que sean eficientes y económicos, es necesario tener un indicador del desempeño económico (rentabilidad) de las alternativas de diseño. El costo anualizado de los procesos es una medida económica simple y conveniente para evaluar alternativas.

______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

92

El costo anualizado se determina con los costos fijos (costos de compra de los intercambiadores de calor de la red, sin incluir costos de instalación y otros costos asociados) y los costos variables (costos por operación del proceso, debidos a los requerimientos de calentamiento y de enfriamiento). Sin haber realizado el diseño detallado de la estructura de la red, se pueden obtener los valores mínimos de los costos de operación así como una estimación de los costos fijos (por concepto del número de unidades de intercambio de calor y su área). El costo total anualizado de la red se calcula con: CTA = r (∑ C c ) + C vapor * Qvap + C agua Qagua

(5.1)

Donde Cc son los costos de compra de los intercambiadores de calor, r es la tasa de retorno anual de la inversión. Cvapor es el costo del vapor en los calentadores, Qvapor es el calor de calentamiento necesario en la red, Cagua es el costo del agua de enfriamiento y Qagua es el calor que debe extraerse de la red con agua de enfriamiento. Con el objeto de comparar económicamente las opciones de diseño del ejemplo 5.1, considérese los siguientes datos. Costo del vapor a 260 ºC, 2.81 $/106 kJ, Coeficiente de película, h = 0.5 kW/ºC-m2. Costo del agua fría a 20 ºC, 0.496 $/106 kJ, Coeficiente de película, h = 0.3 kW/ºC-m2. Costo de operación o gastos variables = costo de calentamiento + costo de enfriamiento. Costo de los cambiadores de calor: Costo, $ = 6,000 + 700*(Área)0.65 El coeficiente de película en cambiadores de calor con corrientes de proceso es 0.8 kW/ºC-m2. Considérese que la planta opera 350 días al año. El total de costos fijos se calcula con la suma de los costos individuales de cada cambiador de calor en la red. En la opción base del ejemplo 5.1 se tiene el siguiente costo de operación. ⎡ 200 kW 1 kJ $ 3600 s 24 hr 350 día ⎤ ⎢ ⎥ = 19,994.7 $ / año (2.81 + 0.496) kW − s kJ hr día año ⎥ ⎢⎣ 1 ⎦

Los cálculos de costos fijos en la opción 1 y 2 se resumen en las siguientes tablas: Costo de cambiadores de calor de la opción 1. Opción 1 Q

m^2

T C1 T F1 T C2 T F2 ΔT 1 ΔT 2 DT LM Area 80

200

20

160

40

120

160 150 100

30

80

250 230 250 150

180 120 147.98

$ Costo

2.478

7262.54

70 30.834

9.73

9071.56

20 100 49.707

5.231

8051.92

10

______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

93

Costo de los cambiadores de calor de la opción 2. Opción 2 Q

m^2

$

T C1 T F1 T C2 T F2 ΔT 1 ΔT 2 DT LM Area 40

250 190 250 230

160

200

90

120

40

120

30

100

Costo

60

20

36.41

3.57

7600.93

30

110

90

99.666

4.013

7727.36

20

90

80

84.902

2.159

7154.54

En la siguiente tabla se comparan los valores de periodo de recuperación de la inversión (ROI) para cada opción (se considera una tasa de retorno unitaria). Se usa este parámetro como indicador de la rentabilidad de la inversión al proponer las opciones de diseño 1 y 2. Opción

Cambiadores

Costo fijo

Gasto variable

Ahorro,$

ROI/año

Base

2

1

3

24386.018

19994.7 7997.88

11996.82 2.0327068

2

3

22482.822

3998.94

15995.76 1.4055488

El ahorro se calcula con la diferencia de los costos fijos de la opción base menos los de las otras opciones. Se observa que con la opción 2 la inversión en la compra de los cambiadores de calor se puede amortizar en casi año y medio considerando el ahorro por concepto de disminución en el consumo de energía en los servicios de calentamiento y enfriamiento. Esto es sin considerar los costos de mantenimiento y depreciación ni el valor de reventa de los cambiadores de calor. Por otro lado se tendrá una disminución en las emisiones contaminantes al reducir el consumo de combustibles para la producción de vapor y de las emisiones en la torre de enfriamiento para tratar el agua fría. Esto último corresponde a un ahorro en el costo social de la empresa. 5.2 Las curvas compuestas Para determinar la meta de mínima consumo de energía se usan las curvas compuestas. Las curvas compuestas son dos, la primera representa la disponibilidad de calor en el proceso (curva compuesta caliente, formada con la unión de las corrientes calientes) y la otra las demandas de calor en el proceso (curva compuesta fría, formada con la unión de las corrientes frías). La característica que distingue a las corrientes calientes de las frías es que las calientes inician en un valor alto de temperatura y terminan en un valor menor, las frías es al revés, es decir empiezan en un valor bajo de temperatura y terminan en un valor mayor. Se trazan en un diagrama de temperatura contra la entalpía, diagrama T-H. Cuando el flujo térmico de las corrientes, es decir el producto del flujo másico por la capacidad calorífica del fluido en la corriente, F*Cp, es constante, se obtienen líneas rectas. El grado en el cual las curvas se sobreponen es una medida del potencial de recuperación de calor, como se muestra en la figura 5.4. La separación vertical menor entre las dos curvas es definida por la diferencia mínima de temperatura permitida, ΔTmin, también se conoce como acercamiento máximo entre las curvas. El punto en donde se encuentra esta separación se conoce como pinch o punto pinch.

______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

94

Temperatura

Servicios de calentamiento

Punto Pinch

ΔTmin

Servicios de enfriamiento

Entalpía, ΔH=FCp * ΔT

Figura 5.4 Diagrama de las cuevas compuestas. La región horizontal en que las curvas se sobreponen corresponde a la máxima recuperación de energía entre las corrientes calientes y frías del proceso. Los valores de consumo mínimo de servicios se obtienen con las curvas compuestas, midiendo las regiones de entalpías en que las curvas no se traslapan. En el extremo derecho de las curvas se determina el calentamiento mínimo mientras que el enfriamiento mínimo se obtiene en el extremo izquierdo, ver Figura 5.4. Así, el servicio de calentamiento mínimo, si se requiere, debe ubicarse en la región de temperaturas más altas del diagrama, mientras que el enfriamiento debe ubicarse en las temperaturas más bajas. En la figura 5.4 se muestran dos regiones posibles de intercambio térmico. Una arriba del pinch y otro abajo del pinch. Para el diseño de la red de cambiadores de calor esto representa una ventaja, ya que se divide el problema en dos, el diseño de la red arriba del pinch y otro diseño, independiente del primero, abajo del pinch. En las curvas compuestas se puede observar que cuando el ΔTmin se reduce, se disminuyen los requerimientos de cargas de calentamiento y de enfriamiento con servicios. Un inconveniente con esta reducción, no fácilmente apreciable, es que se aumenta el área de transferencia de calor requerida y por lo tanto el costo de los equipos. La construcción de estas curvas para el proceso del ejemplo 5.1 es muy fácil ya que sólo se tienen dos corrientes de proceso, una caliente que va de 200 ºC a 100 ºC y una fría que va de 30 ºC a 230 ºC. Para la opción 2, en la gráfica de la figura 5.5 se observa un traslape de las curvas, antes de que se crucen existe la posibilidad de que la caliente transmita calor a la corriente fría. Debido a la especificación de diseño ΔTmin=10 ºC, el punto en el que puede haber transmisión de calor es de 160 ºC para la temperatura caliente y de 150 ºC para la temperatura fría. La región de entalpía por arriba de estos valores de temperatura corresponde a los valores de energía que deben suministrarse con servicios. Nótese que se adopta la convención de asignar entalpía cero a

______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

95

la correspondiente a la menor temperatura de la corriente fría y la mayor temperatura de la corriente caliente.

Temperatura, ºC

250

Calor Integrado

200 150

Calor con servicios

100 50 0 0

50

100

150

200

250

Entalpia, kW

Figura 5.5 Gráfica de las curvas compuestas de la opción 2. Bajo la opción 3 se trata de evitar el cruce de las corrientes fría y caliente en el diagrama T-H. Puesto que solamente se tendrán intercambios viables o posibles entre las corrientes cuando la corriente fría quede por debajo de la caliente. Deberá desplazarse, hacia la derecha, la curva de la corriente fría hasta que se tenga una separación mínima de 10ºC que corresponde al ΔTmin. Como se muestra en la figura 5.6. Las gráficas de las curvas compuestas permiten visualizar las transferencias de calor entre las corrientes calientes y frías. Al deslizar horizontalmente la curva fría, sin modificar su pendiente, cambia el calor transferido. Nótese que al desplazar horizontalmente cualquier segmento de recta mantiene constante su temperatura y su entalpía. El sector horizontal en que se sobreponen las curvas es el máximo de calor transferido entre las corrientes. 250

Calor Integrado Temperatura, ºC

200 150

Calentamiento

100

Enfriamiento

50 0 0

50

100

150

200

250

300

Entalpia, kW

Figura 5.6 Gráfica de las curvas compuestas de la opción 3. En el pinch se tiene la distancia mínima vertical entre las curvas e igual a ΔTmin. El punto pinch se ubica en la temperatura de 190 °C para la corriente caliente y de 200 °C para la corriente fría. La carga de calentamiento en la corriente fría es de 40 kW y es igual a la carga de ______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

96

enfriamiento en la corriente caliente. La figura 5.6 ilustra un diseño en el cual se colocan el enfriador en el extremo frío de la corriente caliente y el calentador en el extremo caliente de la corriente fría. En este diseño solo se calienta en el extremo de temperaturas mayores y se enfría en el extremo de temperaturas menores. Existirán procesos en los que sólo se requiere uno de los servicios, ya sea el de calentamiento o el de enfriamiento solamente, estos casos se conocen como problemas de umbral. Ejemplo 5.2 Para ilustrar la construcción de las curvas compuestas se usan los datos del proceso de la figura 5.7, en el que se tienen un reactor y un destilador. En este proceso ya se tiene una recuperación del calor excedente del reactor, al integrar las corrientes del efluente del reactor con el reciclo. Para extraer los datos de las corrientes a integrar se eliminan los cambiadores de calor, como se muestra en la Figura 5.8. Se tienen dos corrientes calientes y dos frías. El valor de acercamiento mínimo de temperaturas es ΔTmin = 10 °C. Con los datos de las corrientes se determina el FCp, los valores se muestran en la Tabla 5.1. Tabla 5.1 Datos de las corrientes del ejemplo 5.2 Corriente Alimentación Efluente Reactor Reciclo Producto

Tipo Fría (F1) Caliente (C1) Fría (F2) Caliente (C2)

Tinicial(°C) 30 100 60 130

Tfinal(°C) 110 80 150 40

FCp (kW/°C) 3.0 5.0 3.0 3.0

ΔH(kW) 240 100 270 270

80º 60º

150 40º

30 kW

170 kW

100 kW

Producto 30º Alimentación

110

Reciclo

240 kW

Destilador Reactor

100 Efluente Reactor 130

______________________________________________________________________________________________

Capitulo 5. Análisis térmico en las corrientes de proceso

97

Figura 5.7 Diagrama de un proceso con dos corrientes calientes y dos frías. Primero se clasifican las corrientes de proceso de acuerdo a sus requerimientos energéticos, como frías y calientes. Para facilitar el trazado de las gráficas se recomienda ajustar 8las temperaturas del proceso, agregando a todas las temperaturas iniciales y finales, de las temperaturas frías y sustrayendo de las temperaturas calientes el valor ΔTmin/2. Ordenar las temperaturas ajustadas desde la mayor hasta la menor y remover de la lista ordenada aquellas temperaturas que se repiten. Las temperaturas de esta lista definen los intervalos de temperaturas del problema. Para las corrientes del ejemplo 5.2 las temperaturas ajustadas son: Corriente C1 C2 F1 F2

Tentrada 100 - 5 = 95 130 - 5 = 125 30 + 5 = 35 60 + 5 = 65

Tsalida 80 - 5 = 75 40 - 5 = 35 110 + 5 = 115 150 + 5 = 155

La lista ordenada de temperaturas ajust...