Eliana Jara Morante, Ph.D. Congreso Internacional Visión 2016 Octubre, 2016

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Rubén Ortíz Córdoba
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2 Introducción Retrofitting Descripción del proceso Integración de calor Evaluación y análisis de la red de intercambiadores de calor Optimización de la red de intercambiadores de calor Conclusiones

5 Reciclar Remover Reusar Reducir

6 Retrofit Significa adicionar o reemplazar el todo o una parte de un equipamiento con una mejor alternativa Revamp Reorganizar el proceso en varias etapas y diferentes tipos de equipamiento Mayor escala Proyectos pequeños Mayor complejidad Mayor costo de capital Proyectos grandes

7 Dinero Tecnología Gente

Mejorar conversió n y/o selectivid ad Reducir uso de energía Reducir costos de operación Producir nuevos productos Aumentar la productiv idad Mejorar flexibilida d

8 Mejorar conversió n y/o selectivid ad Reducir uso de energía Reducir costos de operación Producir nuevos productos Aumentar la productiv idad Mejorar flexibilida d Materia prima alternativ a Nuevas especifica ciones del producto Mejorar confiabili Mejorar la seguridad Aumentar control del proceso Reducir el impacto en el ambiente

9 Reusar el equipo existente (si capacidad esta 20-30%) Explotando las interacciones entre los equipos Estudios de integración de calor y de proceso: Análisis Pinch Estudio detallado del sistema hidraúlico (ΔP) Intensificación del proceso: Ingeniería verde Simplicar el proceso y cuestiones de seguridad Revisar la capacidad de diseño del proceso (sobredimensionamiento) Re-evaluar materiales de construcción (corrosion)

10 Elija condiciones de operación para minimizar los costos de energía Considere uso de columnas de destilación internamente integradas (membranas) Use análisis Pinch y optimización ( energía y de agua) Use catalizadores selectivos ( productividad y reciclos) Reduzca la generación de desechos

11 Reuse el equipo existente y productos de desecho Eliga equipos nuevos con alta eficiencia Explore la intensificación de procesos y sus aplicaciones Use sistema avanzados de control y optimización en tiempo real

$Una refinería de petróleo se llevan a cabo procesos: Reacción Destilación o fraccionamiento Tratamiento$

13 Una refinería de petróleo se llevan a cabo procesos: Reacción Destilación o fraccionamiento Tratamiento Acondicionamiento La eficiencia y rendimiento de la planta depende mayormente de consideraciones económicas.

14 Constituye el principal proceso y el de mayor importancia en una refinería de petróleo. Consta de tres secciones: unidad de reactor-regenerador, unidad de separación y unidad de separación de gases. La unidad de separación demanda mayor cantidad de energía. El funcionamiento eficiente de este proceso es la clave para obtener la mayor rentabilidad de una refinería

15 Todas las acciones orientadas a mejorar un proceso para maximizar el uso de: energía agua Ecológico y sostenible Mejorar control de calidad Reducir costo materia prima Integración del proceso Reducir costo de capital Reducir uso de energía materia prima. Aumentar la flexibilidad Aumentar seguridad

16 Striper Compuestos Pesados Separador Separación de gas Nafta Ligera Aceites Ligeros Reactor Regenerador Decantador Aceites Pesados

17 Nafta Ligera Aceites Ligeros Aceites Pesados Pseudo-componentes Densidad [kg/m 3 ] Gravedad API

18 Pinch análisis: método para determinar la cantidad de energía que se puede recuperar (Linnhoff, et. al 1978). Para evaluar se requiere: Extracción de las corrientes de proceso Curvas compuestas Gran compuesta Cascada de flujo de calor Temperatura pinch

19 Streams Type Supply Temp [C] Target Temp [C] CP [kw/c] HTC [kw/c-m 2 ] Enthalpy [kw] SL Hot SL Hot SL-18-19:23 Hot MG-9:MG-10 Hot MG-41A:MG-41B Hot MG-42B:MG-42D Hot MU-86A:MU-72 Hot MOT-USO:MU-83 Hot BG-111:BG-129 Hot BU-207:BENZ-OUT Hot

20 Streams Type Supply Temp [C] Target Temp [C] CP [kw/c] HTC [kw/c-m 2 ] Enthalpy [kw] C-31:C-32 Cold C-32:C-33 Cold C-33:C-34 Cold C-34:C-35 Cold C-35:C-36 Cold B1-GE12:B2GE12 Cold B1-GE11:B2GE11 Cold B1-GE9:B2GE9 Cold WFE3-FE23 Cold

21 Temperatura [C] QHmin Tmin Sumideros Fria Fuentes Caliente Qcmin Entalpia [KW]

22 Temperatura [C] Fria Caliente QHmin Tmin Qcmin Q recuperado Entalpía [kw]

Temperatura [C] 400 350 300 Fria Caliente QHmin 250 Tmin 200 150 100 50

23 Temperatura [C] Fria Caliente QHmin 250 Tmin Qcmin Q recuperado Entalpía [kw]

24 Costo Total [$/a] ΔT min aumenta, el costo total aumenta. Existe una relación entre el costo capital y el costo de energía recuperada. Consideración practica: pequeños valores de ΔT min se consigue solo en HX a contracorriente. Evitar trabajar con ΔT min muy pequeños (< 10) 2.4E E E E E E E E E+06 T min ΔT min [C]

25 Costos [$] 9.5E E E E E E E E E E+06 Operativo Capital Total 7.0E E E E T min [C]

26 Déficit de energía Surplus de energía

27 Calor mínimo requerido Temperatura pinch Calor mínimo extraído

28 Temperatura [C] Q Hmin Q= 0 Temperatura pinch Q Cmin ΔTmin= 12 ΔTmin= 12 ΔTmin= Entalpía [kw]

29 Temperatura [C] Calentamiento por gas Agua de refrigeración Entalpia [kw]

31 Para diseñar la red de intercambiadores de calor se genera una diagrama de corrientes Corrientes calientes De izquierda a derecha De mayor a menor temperatura Corrientes frías De derecha a izquierda

32 Consideraciones: CP caliente CP fria por encima del pinch CP caliente CP fria por debajo del pinch Maximizar el calor transferido Usar utilidades: Encima del pinch: calentamiento Debajo del pinch: enfriamiento

33 Encima Pinch= 86 Debajo

34 RE-UBICAR INTERCAMBIADORES AUMENTAR RE-UBICAR INTERCAMBIADOR UTILIDADES DE - P1 PROCESO -CU4 - P6 QUITAR UTILIDAD - P10CU5 - P5 CU5 CU4 CU3 CU2 CU1 CU4 P6 P9 P8 P7 P6 P5 P5 P4 P3 P10 P1 P1 HU1 P2

35 Reubicación de 3 intercambiadores de proceso Aumentar un nuevo intercambiador Numero de intercambiadores de calor Diseño inicial Diseño optimizado Para proceso 9 10 Para enfriamiento 5 4 Para calentamiento 1 1

36 Diseño Calentamiento [%] Enfriamiento [%] Área [%] Costos de operación [%] Costo Total [%] Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E Diseño base: ΔT min = 12 C

37 Área total [m 2 ] DiseñoBase Diseño A DiseñoB Diseño C Diseño D Diseño E Energía [kw]

38 Costo de Capital [$] 5.4E E E E E E E+06 Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseno E Caso Base 4.7E E E E E E E E E E+06 Costo de Operación [$]

39 105 Calentamiento Enfriamiento Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E

120 100 80 60 40 Capital Operación Total 20

40 Capital Operación Total 20 0 Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E

41 Energía [kw] DiseñoBase Diseño E ΔTmin [C]

42 De acuerdo a las curvas compuestas se tiene que: Diseño inicial ΔT min =129 Diseño Base T min =12 Diseño E T min =12 Calentamiento Enfriamiento Q recuperado Disminuir el valor del ΔT min a 12: reduce un 68-69% de las utilidades de calentamiento reduce un 61-66% de las utilidades para enfriamiento Incrementa las posibilidades de recuperar calor

43 El análisis muestra que es posible aumentar la cantidad de calor recuperado. El diseño E es el que demuestra mayor eficiencia. No se requieren hacer cambios drásticos por lo cual la opción es viable. Los resultados muestran que desde el punto de vista económico la mejora del proceso es posible. Subsiguientes estudios de flexibilidad del proceso muestran que es controlable.

44 Temperatura [C] Estudios en controlabilidad del proceso Oportunidades en el diseño e implementación de sistemas de control más efectivos Entalpia [GJ/h]

45 El método puede ser aplicado a: Hospitales Edificios de vivienda Escuelas There is no doubt that reworking existing buildings is a highly rewarding and responsible area of work for architects (Rab Bennetts, director and co-founder of Bennetts Associates-London)

48 Petajoules = joules

52 Area total [m 2 ] DiseñoBase Diseño A DiseñoB Diseño C Diseño D Diseño E ΔT min [C]

53 Calentamiento [kw] Costo [$] Calentamiento E+06 Costo total 1.6E Area HX Shells E+06 Total Area 1.6E E E E E E E E E E E E E E ΔT min [C] E ΔT min [C] 1.5E+06

$Perturbaciones afectan las fracciones mas ligeras. Respuesta no varia con el tipo de perturbación 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.$

54 Fracción [mol] Rango de pseudocomponentes: Perturbaciones afectan las fracciones mas ligeras. Respuesta no varia con el tipo de perturbación Estacionario T1 T2 T3 T4 TB de pseudo-componentes [C]

$Perturbaciones afectan las fracciones intermedias (aumentan) y las pesadas (disminuyen). Respuesta no varia con el tipo de perturbación 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.$

55 Fracción [mol] Rango de pseudocomponentes: Perturbaciones afectan las fracciones intermedias (aumentan) y las pesadas (disminuyen). Respuesta no varia con el tipo de perturbación Estacionario T1 T2 T3 T4 TB de pseudo-componentes [C]

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