REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO. SIMULACIÓN APLICANDO EL SOFTWARE INTEGRACIÓN ENERGÉTICA 2.2

Transcripción

1 Resumen REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO. SIMULACIÓN APLICANDO EL SOFTWARE INTEGRACIÓN ENERGÉTICA 2.2 Frontera Juan P. (1), Chiaramelo Martín (1) (1) GISIQ (Grupo de Investigación en Simulación para Ingeniería Química) Facultad Regional Villa María. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL. Av. Universidad 450 (5900) Villa María, Córdoba, Argentina. Tel Fax: El presente trabajo plantea el uso del software Integración Energética V2.2 (Martín, 2002) para proponer y analizar estructuras de Redes de Intercambio Calórico (RIC) mediante la implementación de la Tecnología Pinch aplicada al análisis de una situación real de proceso. Introducción El uso racional de la energía siempre ha sido importante para el diseño de un proceso. Sin embargo, solo en las últimas décadas se ha logrado desarrollar y aplicar el concepto de integración energética mediante la síntesis de redes de intercambio de calor implementadas básicamente entre las distintas corrientes de proceso que se enfrían y calientan respectivamente. La integración energética también es una herramienta muy útil en la fase de determinación del costo preliminar de un diseño. El primer paso para configurar una red de intercambió calórico es el cálculo de los requerimientos mínimos de calefacción y refrigeración y luego se plantean una o varias de las configuraciones posibles, de las cuales finalmente se adoptará aquella que se considere optima de acuerdo a algún cierto criterio (económico, operativo, etc.). (Furman y Sahinidis, 2001) (Douglas, 1988) (Cerda y col., 1983). Desarrollo Una primera etapa a aplicar para la implementación de esta tecnología es la determinación de intervalos de temperatura manteniendo una fuerza impulsora?t min (generalmente del orden de 10 ºC) entre corrientes calientes y frías. Sumando algebraicamente las cantidades de calor en cada intervalo se construye el llamado diagrama de cascada el cual muestra que se puede aprovechar calor positivo para suplir requerimientos en las corrientes frías, tomando lo que resta de una utilidad caliente (servicio) y cediendo finalmente el calor que no se puede transferir entre corrientes a una utilidad fría. Así, la cascada permite conocer los requerimientos mínimos de calefacción y refrigeración. La temperatura a través de la cual no ocurre transferencia de calor se conoce como temperatura pinch. Esta permite descomponer el diseño del problema en dos partes o subsistemas: sobre esta solo conviene entregar calor, y debajo de la misma solo se debe ceder este a una utilidad o fuente fría. Si se transfiere calor a través del pinch, disminuyen los costos fijos (intercambiadores) a expensas de un aumento en los costos de operación (servicios). Si se aumenta el?t min, aumentarán los requerimientos mínimos en tanto que disminuirá el área de intercambio. En algunos casos puede resultar económicamente conveniente este aumento transfiriéndose calor a través del pinch y aumentando la demanda de servicios, pero disminuyendo de una manera más favorable el área total de intercambio. (Linnhoff, 1983) (Jiménez Esteller, 1996). En el diagrama de curvas compuestas, que es otro método para calcular los requerimientos mínimos, se ve la relación entre?t min y las necesidades de servicios.

2 Para la construcción de este diagrama, se define entalpía cero a cualquier temperatura de una de las corrientes y se calculan los calores acumulados de las corrientes calientes y las corrientes frías por separado respecto de esa referencia en cada intervalo. Luego se grafica H vs. T dando el conocido diagrama de supercorrientes. De las partes no solapadas se puede leer directamente las necesidades de vapor y agua de refrigeración. El mínimo número de cambiadores resulta de aplicar sobre y debajo del pinch: (Nº de intercambiadores) = (Nº de corrientes) + (Nº de servicios) 1 [1] Los criterios para unir las corrientes son: Sobre el pinch: m c cp c = m f cp f [2] Debajo del pinch: m f cp f m c cp c [3] donde los subíndices c y f representan las corrientes calientes y frías respectivamente, m es el flujo másico de la corriente (kg/h) y cp la capacidad calorífica (kj/kg ºC). Además debe cumplirse una segunda condición: Sobre el pinch: (Nº de corrientes) c = (Nº de corrientes) f [4] Debajo del pinch: (Nº de corrientes) c (Nº de corrientes) f [5] De no cumplirse esta condición, pueden dividirse las corrientes. (Jiménez Esteller, 1996) (Douglas, 1988). Caso de estudio Del diagrama de flujo de una planta de producción de gas carbónico se escogen las corrientes en las que se utiliza directamente servicios de calefacción o refrigeración para alcanzar las temperaturas de proceso. Se seleccionan luego dos conjuntos de corrientes para su estudio, denominándose caso 1 a la alternativa que involucra 5 corrientes y caso 2 a la agrupa solo 4 de ellas. El software utilizado, a partir de las temperaturas y los (m.cp) de las corrientes, proporciona los requerimientos de calefacción y refrigeración mínimos en el diagrama de curvas compuestas, que se muestra a continuación a manera de ejemplo para el caso 2 considerado:

3 Fig. 1. Diagrama de curvas compuestas o de supercorrientes para el caso 2. También se pueden obtener estos datos, junto con el número mínimo de Intercambiadores y la temperatura pinch, del diagrama de cascada: Fig. 2. Diagrama de cascada para el caso 2. Con el software, se construyen dos de las configuraciones posibles, las cuales se presentan a continuación:

4 Fig. 3. Diagrama de la RIC para el caso 1. Fig. 4. Diagrama de la RIC para el caso 2.

5 En este segundo caso se puede disminuir el?t min de 10 ºC a 6 ºC y reordenar los intercambiadores para evitar la transferencia a través del pinch. Fig. 5. Diagrama de la RIC para una variante del caso 2. En el caso 1, la presencia de la corriente 1 hace nulos los requerimientos de calefacción, pero esta configuración requiere de 6 intercambiadores de calor y aumenta las necesidades de refrigeración (con respecto del mínimo teórico). En el caso 2, se elimina la corriente 1 por intercambiar poco calor con respecto a los otros cambiadores y a la entalpía disponible de la corriente. Esto hace que el número necesario de equipos se reduzca a 5. En los casos 1 y 2 las necesidades de servicios son mayores que las mínimas debido a que se transfiere calor a través del pinch para respetar el?t min previamente establecido. Esta elección se hace por la imposibilidad de cumplir simultáneamente con los requerimientos mínimos de servicios y con el número mínimo de intercambiadores sin transferir calor a través del pinch. Las necesidades mínimas de servicio dadas en el diagrama de cascada para un?t min determinado, no implica que siempre pueda construirse una red que satisfaga estas especificaciones. En una variante propuesta a partir del caso 2, un reordenamiento de los cambiadores y una disminución del?t min permite reducir los requerimientos de servicios, siendo estos valores mínimos alcanzados sin transferencia de calor a través del pinch. Los resultados del análisis térmico y económico de los diferentes casos se muestran en las tablas 1 y 2.

6 Tabla 1. Resultados de los casos propuestos Calefacción (kw-h) Refrigeración (kw-h) % de ahorro Calefacción % de ahorro Refrigeración?T min (ºC) Diagrama sin integrar Caso 1 5 corrientes 6 cambiadores Diagrama integrado Caso 2 Variante Caso Tabla 2. Evaluación económica de los casos propuestos Ahorro calefacción (U$S/año) Ahorro refrigeración (U$S/año) Ahorro total (U$S/año) Costo cambiadores (U$S) Tiempo de Amortización (meses) Caso 1 5 corrientes 6 cambiadores Diagrama integrado Caso 2 Variante Caso Para este proceso en particular resulta conveniente llevar a cabo su integración energética pudiéndose adoptar cualquiera de las configuraciones propuestas dado que, aún cuando sea necesario comprar todos los intercambiadores de la red, el tiempo de amortización en todos los casos no excede valores razonables. Sin embargo, se estima como más conveniente la alternativa que presenta menores requerimientos de servicios, esto es la variante del caso 2, porque cuenta con el menor tiempo de amortización. Finalmente, la alternativa más económica resultaría aquella en donde no se

7 transfiere calor a través de la temperatura pinch, a pesar del aumento en el área total de intercambio, en concordancia con los postulados teóricos de esta tecnología. Conclusiones De lo expuesto se puede establecer que: La integración energética del sistema estudiado permite un ahorro significativo reduciendo la demanda de servicios de calefacción y refrigeración. La elección de la configuración de la red de intercambio mas adecuada depende de un balance económico entre costos de capital inmovilizado y de operación. Puede resultar conveniente, en casos como éste, reducir el?t min adoptado (generalmente de 10 ºC), para evitar la transferencia de calor a través del pinch. Si bien el software utilizado es adecuado para el tratamiento de este tipo de problemas, resulta poco amigable en la carga de especificaciones, presentando además algunas limitaciones para alcanzar la convergencia de resultados. Referencias Martín A., Integración Energética versión 2.2, software, disponible en Universidad de Valladolid, España, Furman K. C. and Sahinidis N. V, A Critical Review and Annotated Bibliography for Heat Exchanger Network Synthesis in the 20 th Century, Department of Chemical Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign 600 South Mathews Avenue, Urbana, Illinois 61801, April 30, Chemstation Inc., CHEMCAD V3.2 User s Guide, Texas, USA, Cerdá J. and Galli M. R., "Synthesis of Structurally-Constrained Heat Exchanger Networks - I. Serial Networks", accepted for publication in Computers & Chemical Engineering, Jiménez Esteller L., Integración Energética, Facultad de Química, Universidad de Barcelona, España, Cerdá J. y otros, "Synthesis of Flexible Heat Exchanger Networks I. Convex Networks", Computers & Chemical Engineering, 14, No. 2, , Douglas J. M., Conceptual Design of Chemical Processes, Ed. Mc. Graw Hill, New York, Chapter 8, Cerdá J. and Westerberg A. W.,. "Synthesizing Heat Exchanger Networks Having Restricted Stream/Stream Matches Using Transportation Problem Formulations",. Chem. Engng. Sci., Vol. 38, page 1723, Linnhoff, B., The Pinch Design Method for Heat Exchanger Networks, Chemical, Engineering Science, vol 38, No. 5, pp, 745. Great Britain, 1983.