Integración térmica de procesos

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1 Integración térmica de procesos Miguel Ángel Lozano Serrano - Universidad de Zaragoza Integración térmica de procesos La integración térmica de procesos está incluida en la disciplina de integración energética. Dentro del diseño de procesos, forma parte de una de las primeras etapas del diseño, que es la síntesis, la etapa creativa que nos indica cómo podemos configurar la planta, la instalación. El objetivo es el mayor aprovechamiento de los recursos consumidos y en particular, puesto que estamos hablando de la integración energética, de integración térmica, de aquellos recursos energéticos, es decir, obtener el máximo aprovechamiento energético. En términos termodinámicos esto implicaría aumentar la eficiencia energética de la transformación tanto como sea posible. El patrón fundamental de la integración energética no es tanto el desarrollo de nuevas tecnologías o nuevos equipos más avanzados o más eficientes individualmente, sino establecer el conjunto de equipos, colaborando funcionalmente entre sí (como un equipo de fútbol). Tan importante es que haya buenos equipos o elementos, como que estén debidamente coordinados en la función principal (ganar el partido). Es más importante la coordinación funcional de equipos con equipos convencionales de la ingeniería térmica o energética, que el desarrollo específico de nuevas tecnologías o nuevas transformaciones. La Figura 1 muestra el flujo de información en la etapa de diseño de una planta energética [8], mostrando el papel que juega la optimización, que supone una realimentación de la fase de análisis hasta alcanzar un diseño óptimo. En una planta energética existe una cierta jerarquización de los procesos, de modo que las reacciones químicas se sitúan en los más básicos y la posible producción de servicios energéticos (trabajo, calor y refrigeración) en lo más externo, como se ve en la Figura 2, estableciéndose las interconexiones en la Figura 3. Los métodos para la integración de procesos son diversos, abarcando desde los métodos termodinámicos del pinch o del análisis exergético, basados en 69

2 Avances de Ingeniería Eficiencia energética: tecnología y políticas de apoyo Figura 1 Etapas y flujo de información en la actividad del diseño de una planta energética Fuente: adaptado de 8 Figura 2 Naturaleza jerárquica del diseño de procesos Fuente: adaptado de 9 70

3 Eficiencia energética en la industria Avances de Ingeniería Figura 3 Flujos energéticos entre los diferentes procesos de una planta industrial el análisis [10]; los métodos heurísticos, basados en la experiencia [11], y finalmente los métodos de optimización, que suelen requerir una importante potencia de cálculo [12]. Aplicación de la integración térmica a ingenios azucareros Con objeto de que la exposición no resulte excesivamente academicista se va a exponer seguidamente un ejemplo de integración térmica a ingenios azucareros, llevada a cabo en colaboración con la Universidad de Campinas de Brasil [13, 14, 15]. La producción de caña de azúcar en Brasil durante los últimos años es, aproximadamente, de 400 millones de toneladas anuales, lo que representa 1/3 de la producción mundial. El azúcar recuperable se destina aproximadamente a partes iguales a la producción de azúcar (27 millones de toneladas/año), y a la producción de etanol (17 millones de m3/año). La Figura 4 recoge un esquema simplificado del proceso, mostrando dentro de una L punteada el proceso en sí, susceptible de una integración térmica, y dentro de la línea discontinua el sistema de cogeneración, como una mejora adicional del proceso. Los procesos térmicos relevantes, junto con sus restricciones, son: 71

4 Avances de Ingeniería Eficiencia energética: tecnología y políticas de apoyo Figura 4 Diagrama simplificado de los procesos involucrados en la producción de azúcar a partir de caña Evaporadores. Se requieren tratar 124,8 kg/s de jugo, logrando variar su concentración del 15% al 65%, a una temperatura máxima de 115ºC y una presión mínima de 160 mbar. Se estiman unas pérdidas de calor del 5%. Intercambiadores de calor, requeridos en los procesos de extracción y calentamiento del jugo (124,8 kg/s con concentración del 15% llegando el fluido a 80ºC y saliendo a 92ºC), clarificación (124,8 kg/s con una concentración del 15% llegando el fludio a 62ºC y saliendo a 105ºC) y tratamiento del jarabe (28,8 kg/s con una concentración del 65%, saliendo del evaporador a 80ºC). Caldera para la cristalización, con una demanda directa de vapor de 98 kwh por cada tonelada de caña, que procede del primer efecto del evaporador. Como caso base previo a la optimización se plantea que todos los consumos de calor sean atendidos con vapor del primer efecto del evaporador. Por el contrario, en la optimización se plantea atender las demandas de calor con vapor del efecto adecuado, resultando la red planteada en la Figura 5. Con esta red se ha logrado una reducción total de costes respecto al caso base del 23%, siendo del 28% en el proceso de evaporación y del 12% en los intercambiadores para plantas con una capacidad de procesado de toneladas de caña al día y 167 días al año de operación. 72

5 Eficiencia energética en la industria Avances de Ingeniería Figura 5 Integración térmica de los diferentes procesos requeridos en la obtención del azúcar tras la optimización Aplicación de la cogeneración a los ingenios azucareros Otra posibilidad de mejora del proceso la constituye el aprovechamiento del bagazo producido en la etapa de extracción del jugo, para ser empleado como biocombustible en una planta de cogeneración, tal como se muestra en la Figura 6, de modo que se venda electricidad y se aproveche el vapor para el proceso. Los datos energéticos relevantes son: de toneladas de caña anuales (supuestas horas/año de operación). 230 kg/ton caña de bagazo producido, con un poder calorífico inferior de kj/kg. 30 kwh/ton de caña de consumo de electricidad. 280 kg/ton de caña de vapor a 2,5 bar. Se han estudiado tres configuraciones posibles de la planta de cogeneración: ciclo de vapor a contrapresión Figura 7, ciclo de vapor a condensación Figura 8 y ciclo combinado con gasificación del bagazo Figura 9. En todas ellas la solución optimizada producía vapor vivo a 60 bar y 480ºC, aunque también se analizaron a 80 bar/510ºc y 100 bar/500ºc. 73

6 Avances de Ingeniería Eficiencia energética: tecnología y políticas de apoyo Figura 6 Integración de una planta de cogeneración en la producción de azúcar En la configuración de ciclo de vapor a contrapresión la turbina descarga a 2,5 bar, de modo que el vapor se envía en esas condiciones a proceso, que hace de condensador del ciclo. La eficiencia energética lograda es del 84%, sobrando aún un 52% del bagazo producido. Tras satisfacer los consumos internos se venden a la red 14 kwh por cada tonelada de caña procesada. En la configuración de ciclo de vapor a condensación, el vapor al proceso se envía de una extracción intermedia de la turbina, existiendo un condensador para la descarga de la turbina de baja presión. La eficiencia energética lograda es del 53%, habiéndose consumido todo el bagazo producido. Tras satisfacer los consumos internos se venden a la red 90 kwh por cada tonelada de caña procesada. 74

7 Eficiencia energética en la industria Avances de Ingeniería En la configuración de ciclo combinado se gasifica el bagazo y con él se alimenta una turbina de gas, produciendo sus humos vapor en una caldera de recuperación de dos niveles de presión. Parte del vapor de baja presión se emplea para el proceso, Figura 7 Configuración de cogeneración 1 con ciclo de vapor a contrapresión Figura 8 Configuración de cogeneración 2 con ciclo de vapor a condensación 75

8 Avances de Ingeniería Eficiencia energética: tecnología y políticas de apoyo Figura 9 Configuración de cogeneración 3 con ciclo combinado y gasificación del bagazo que completa su demanda de vapor con la descarga de la turbina, que trabaja así en contrapresión. La eficiencia energética lograda es del 70%, siendo preciso comprar algo de bagazo. Tras satisfacer los consumos internos se venden a la red 171 kwh por cada tonelada de caña procesada. Conclusión La integración térmica de procesos es una herramienta que se ha de utilizar en el diseño de un proceso industrial para lograr un ahorro energético, que redundará en una reducción de los costes de explotación. En el proceso de integración se ha de tener presente la naturaleza jerárquica de los procesos, los flujos energéticos y las restricciones de los mismos. Con todo ello es preciso realizar un análisis termodinámico, aplicar métodos heurísticos y finalmente llevar a cabo una optimización de la solución. 76

9 Eficiencia energética en la industria Avances de Ingeniería Otra vía para mejorar la eficiencia energética de un proceso es recurrir a la cogeneración, de modo que satisfaciendo las demandas térmicas del proceso se produzca también electricidad. La planta de cogeneración a implantar no es única, sino que es preciso valorar las diferentes opciones para producir el calor del proceso, integrándolo adecuadamente entre la planta de cogeneración y el proceso. Se han presentado los resultados de ambas metodologías a la industria azucarera, lográndose una reducción de costes del 23% con la integración térmica y un excedente de electricidad de entre 14 y 171 kwh por cada tonelada de caña procesada, dependiendo del sistema de cogeneración elegido. 77

10 Eficiencia energética en la industria Avances de Ingeniería Bibliografía 1. OECD/IEA, World Energy Outlook (WEO) 2005, International Energy Agency, Real Decreto 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología para la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. BOE nº 75 de 27/3/2004, pp a Real Decreto 661/2007. De 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. BOE nº 126 de 26/5/2007, pp a Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España (E4) , Consejo de Ministros de 28 de noviembre de CEMEP, European Comitee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics (http://www.cemep.org). 6. DoE, Energy Policy Act of Motor lifetime DKI Info 09/99, page Westerberg A. et al., Process Flowsheeting, Cambridge University Press, Linnhoff, B. et al., Process Integration for the Efficient Use of Energy, IChemE, Kemp, I.C., Pinch Analysis and Process Integration. Butterworth, Smith, R., Chemical Process Design and Integration. Wiley, Biegler, L.T., Grossmann, I.E., Westerberg, A.W., Systematic Methods of Chemical Process Design. Prentice Hall, Ensinas, A.V., Integração térmica e otimização termoeconômica aplicadas ao processo industrial de produção de açúcar e etanol a partir da cana de açúcar. Tese de Doutorado, Universidade Estadual de Campinas (SP, Brasil) Ensinas, A.V., Nebra, S.A., Lozano, M.A., Serra, L., Analysis of process steam 85

11 Avances de Ingeniería Eficiencia energética: tecnología y políticas de apoyo demand reduction and electricity generation in sugar and ethanol production from sugarcane. Energy Conversion and Management, Vol. 48 ( ) Ensinas, V.A., Nebra, S.A., Lozano, M.A., Serra, L., Design of evaporation systems and heaters networks in sugar cane factories using a thermoeconomic optimization procedure. Int. J. of Thermodynamics, Vol. 10, Nº 3 (97-105)

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