ANÁLISIS EXERGÉTICO DE PLANTAS DE SEPARACIÓN DE AIRE. Pedro Luis Clavería Vila y Miguel Angel Lozano Serrano

Transcripción

1 Anales de ngenería Mecánca, Vol. 14, Nº 4, pp (000) ANÁLSS EXERGÉTCO DE PLANTAS DE SEPARACÓN DE ARE Pedro Lus Clavería Vla y Mguel Angel Lozano Serrano Dpto. ng. Mecánca. Centro Poltécnco Superor. Unversdad de Zaragoza. María de Luna 3, Zaragoza, España. Tfno. : Fax. : Dreccón electrónca: mlozano@posta.unzar.es RESUMEN El método exergétco de análss termodnámco combna la nformacón proporconada por el Prmer y Segundo Prncpos localzando las fuentes de nefcenca de los procesos de transformacón energétca. En este artculo se presenta la metodología de análss y se aplca a una planta crogénca de separacón del are dentfcando sus rreversbldades, en valor absoluto y relatvo, y los equpos en los que se genera la perdda exergétca. 1.- NTRODUCCÓN. La produccón de gases ndustrales es una actvdad sujeta a economías de escala por lo que puede consegurse una reduccón de costes fjos untaros aumentando el tamaño de las plantas. Las plantas crogéncas de separacón de are han servdo ben a esta ndustra a lo largo del sglo que termna y ahora sufren la competenca de otras tecnologías en determnados nchos de mercado pero tambén exsten nuevas oportundades para su desarrollo formando parte de certos complejos ndustrales (petroquímcas, centrales eléctrcas GCC, etc.). La búsqueda de una mayor efcenca termodnámca del proceso crogénco de separacón es un objetvo oblgado para mantener su compettvdad. La crecente preocupacón por un mejor aprovechamento de la energía prmara ha fomentado el desarrollo de técncas de análss basadas en el Segundo Prncpo, y en partcular en el concepto de exergía. El método exergétco nos ayudará a consegur el objetvo anteror al dentfcar el orgen de las dferentes rreversbldades generadas en el proceso evaluando las nefcencas de los equpos.

2 --.- PROPEDADES TERMODNAMCAS. El análss termodnámco de una planta crogénca de separacón de are requere la aplcacón de los balances de masa, energía y entropía. Necestamos conocer, por tanto, las propedades termodnámcas de los flujos que ntercamban calor, trabajo y matera en los equpos del sstema. No pueden emplearse modelos smples ya que en estos procesos encontramos estados de las más varadas fases, composcón, presón y temperatura. Para el are y sus componentes mayortaros han sdo preparadas extensas tablas de propedades termodnámcas debdamente correlaconadas y que están dsponbles en la lteratura técnca. Sn embargo, estas tablas son poco operatvas para el cálculo automátco y la modelzacón de las propedades de los flujos medante ecuacones de estado se hace mprescndble. Para este trabajo se ha desarrollado un conjunto de lbrerías de cálculo en lenguaje FORTRAN basado en la ecuacón de estado de Bender (1970). Este autor consguó una buena representacón de las propedades de las mezclas de los componentes del are Su ecuacón de estado, más compleja que las cúbcas o las de vral truncadas con pocos térmnos, requere 0 parámetros empírcos ajustables y adopta la sguente forma P( ρ, T) = ρt(r + Bρ + Cρ + Dρ 3 + Eρ 4 + Fρ 5 + (G + Hρ ) ρ exp( a 0 ρ )) (1) sendo B, C, D, E, F, G y H funcones de la temperatura. Adconalmente, Bender tambén formuló reglas de mezcla especfcas determnando empírcamente los parámetros de nteraccón bnara como funcones de la temperatura. 3.- MÉTODO EXERGÉTCO. El mensaje fundamental de la Segunda Ley de la Termodnámca es que las dferentes formas de la energía no son equvalentes exstendo lmtacones para la conversón de una a otra de sus formas. En consecuenca, s deseamos juzgar la bondad del dseño o funconamento de los procesos ndustrales en los que la energía juega una funcón mportante debemos asocar un índce de caldad al proceso basado, no en el concepto de energía, sno en otra magntud que exprese realmente la equvalenca termodnámca de los dstntos flujos de matera y energía que partcpan en el proceso: la exergía.

3 -3- Se ha demostrado (Bejan, 1988) que exste la oportundad de producr trabajo cuando ponemos en contacto dos sstemas en desequlbro termodnámco. Cuando uno de los dos sstemas representa al medo ambente (AR) y el otro aquel sstema de nuestro nterés, la exergía es, por defncón, el máxmo trabajo teórco que puede obtenerse de su nteraccón mutua hasta alcanzar el equlbro. La exergía de flujo de un sstema multcomponente puede calcularse fáclmente a partr de otras propedades termodnámcas una vez fjado el AR (Lozano, 1988): b = h T0 s x μ, 00 () El balance exergétco para un volumen de control se obtene combnando adecuadamente sus balances de energía (1ª Ley) y entropía (ª Ley) : = T 0 S g = m (b e b s ) + Q (1 T 0 /T) W t 0 (3) donde es la exergía destruda (rreversbldad), S g es la entropía generada y T 0 es la temperatura ambente. Cada uno de los térmnos del segundo membro de la ecuacón (3) es reconocdo como exergía (capacdad de producr trabajo). Reagrupando dchos térmnos, según su funconaldad dentro del proceso desarrollado en el volumen de control, el balance de exergía puede formularse como: = F P 0, sendo P la produccón deseada (Producto) y F los recursos consumdos (Fuel). La defncón de cuales de los flujos de entrada y salda a un equpo o proceso consttuyen el Fuel y el Producto requere un análss cudadoso del papel que juega cada uno de los flujos en el conjunto de la nstalacón. La defncón genérca de efcenca termodnámca, a la que denomnaremos tambén rendmento exergétco, es P 0 ηb = = 1 1 F F (4) sendo su nversa el consumo exergétco untaro. Dada la adtvdad de la entropía generada en los dstntos equpos de una planta su rendmento exergétco puede expresarse como P T T ( ηb ) T = = 1 = 1 = 1 FT FT Esta ecuacón nos permte explcar de un modo rguroso que equpos y con que magntud δ son responsables de la perdda de rendmento observada: FT δ (5) 1 ( η ) = δ (6) b T

4 APLCACÓN A UNA PLANTA NDUSTRAL. El are atmosférco es una mezcla de dferentes gases. Sus tres componentes prncpales son el ntrógeno (N ), oxígeno (O ) y argón (Ar), s ben deben tenerse en cuenta otras especes químcas que actuaran como mpurezas del are. El propósto de una planta crogénca de separacón de are es obtener alguno o todos los componentes prncpales del are ya sea en fase líquda o gas con un elevado grado de pureza. El dagrama de flujos de la planta analzada se muestra en la Fg. 1. H GOX GAN UNDAD COMPRESON LMPEZA UNDAD LCUEFACCON COLUMNA BAJA PRESON UNDAD DE PURFCACON DE ARGON COLUMNA ARGON CRUDO COLUMNA ALTA PRESON LN LOX UNDAD DESTLACÓN Fg. 1. Dagrama de flujos de la planta crogénca de separacón de are. El are de entrada a la planta es comprmdo hasta 6 bar, enfrado y lmpado de mpurezas. Antes de ntroducrse a la columna de destlacón de alta presón el are entra al ntercambador prncpal donde cede calor a los gases fríos procedentes de las columnas. Los requermentos de refrgeracón de la planta para compensar las ganancas de calor y la produccón de productos líqudos son satsfechos por la compresón y expansón de ntrógeno recclado en las turbnas de expansón calente y fría. El corazón de la planta esta consttudo por dos columnas de destlacón que operan a dferentes presones acopladas térmcamente. En el condensador/evaporador común a las columnas de destlacón es donde tene lugar el ntercambo de calor LAR

5 -5- entre el GAN y el LOX. Debdo a la dferenca de presones entre las dos columnas el N (mas volátl) es lcuado en la columna nferor y el O (menos volátl) vaporzado en la columna superor. Ambos flujos almentaran drectamente a su correspondente columna, sendo necesaros para mantener la efcenca de la rectfcacón. ncalmente, el are es parcalmente separado en la columna de alta presón dando oxgeno líqudo enrquecdo y ntrógeno. La columna de baja presón es almentada con oxgeno líqudo subenfrado procedente de la columna nferor a través de una válvula de expansón. Análogamente, una parte del ntrógeno líqudo procedente de la parte superor de la columna de alta presón almenta la parte alta de la columna de baja presón, una vez ha sdo subenfrado. La separacón fnal del are tene lugar en la columna de baja presón. Los productos gaseosos, O desde la base y N desde la cabeza de la columna de baja presón, son calentados hasta temperatura ambente pasando a través de varos ntercambadores de calor. La produccón de argón tene lugar en tres etapas consecutvas: compresón catálss y purfcacón. Las especfcacones de los flujos de entrada y salda a la planta analzada se dan en la Tabla 1. Tabla 1. Especfcacón de los productos de la planta. Flujo Cantdad (kg/h) Pureza (% vol) Are 918 Ntrógeno gas (GAN) ,9995 Ntrógeno líqudo (LN) ,9995 Oxgeno gas (GOX) 11 99,6 Oxígeno líqudo (LOX) ,6 Argón lqudo (LAR) 0,7 99,9990 El producto (P) de la planta, o trabajo mínmo de separacón (W mn ), es la dferenca de exergía entre el are que entra a la planta y los dferentes productos que salen de ella, W mn = 1166 kw. El fuel (F) de la planta, o trabajo real de separacón, será la suma de los consumos de energía eléctrca: W real = 4159 kw. Así pues, el rendmento exergétco de la planta es η = W / W 0, 8 (8%). b mn real = En la Tabla se resume el análss exergétco. El rendmento exergétco de la planta calculado a partr de la rreversbldad de los dstntos equpos conduce nuevamente a η = δ 0, 8 (8%). b 1 =

6 -6- Tabla. Resultados del análss exergétco de la planta. UNDAD (kw) δ = Compresón y lmpeza 497 1,0% 16,6% Lcuefaccón ,3% 65,8% Destlacón 307 7,4% 10,% Purfcacón argón 1 5,3% 7,4% PLANTA TOTAL 993 7,0% 100,0% El balance exergétco de la planta nos ndca que exste una oportundad de ahorro de 993 kw, desplfarrados en rreversbldades (), ya que de los 4159 kw de exergía (F) con los que se almenta la planta solo 1166 kw (el 8%) son recuperados en forma de productos (P). Más de la mtad de las rreversbldades se producen en la undad de lcuefaccón. Esto de debe a la elevada cantdad de productos que abandonan la planta en estado lqudo. Un estudo mas detallado, por equpos, puede verse en Lozano et al (1998). El análss exergétco nos puede ayudar en la dagnoss de la operacón de la planta detectando sgnos de una operacón nefcente de sus equpos, nterpretar las posbles causas de su malfuncón y cuantfcar sus efectos en térmnos de consumo adconal de recursos. F T ψ = AGRADECMENTOS Este trabajo ha sdo posble gracas a una Ayuda a la nvestgacón de la Fundacón Domngo Martínez en su Convocatora del curso 1997/1998. BBLOGRAFÍA. 1. Bejan, A., (1988). Advanced Engneerng Thermodynamcs. Wley.. Bender, E. (1973). An Equaton of State for Predctng Vapour-Lqud Equlbra of the System N -Ar-O. Cryogencs, Jan. 1973, pp Lozano, M.A. y A. Valero (1988). Methodology for Calculatng Exergy n Chemcal Processes. ASME Book G00449, pp Lozano, M.A. et al (1998). Análss termoeconómco de la undad de separacón de are en plantas de gasfcacón ntegrada con cclo combnado. nforme a la Fundacón Domngo Martínez.