Diseño conceptual: Método Pinch (o del Punto de pliegue)
Introducción al Diseño de Procesos:
Diseño de equipos
_Diseño de una planta química _ Diseño de un proceso _ Optimización de una planta existente.
Procedimientos analíticos de resolución de ecuaciones algebraicas o diferenciales
PROBLEMAS COMPLEJOS DEBIDO A INTERRELACIONES
La síntesis de procesos es una de las tareas más complejas y exigentes confrontadas por el ingeniero químico.
Solución: Dividir al Problema en problemas más sencillos de acuerdo a una estrategia: 1) ESTRATEGIA DE DOUGLAS: - Decidir entre procesos batch vs procesos continuos. - Decidir la estructura de la reacción. - Adoptar la estructura de entrada – salida del proceso. _ Adoptar la estructura de ciclos del proceso (corrientes de reciclo). _Adoptar la estructura general del sistema de separación. _Diseñar la estructura que permita la integración energética a los efectos de minimizar el consumo.
2) MODELO DE LA CEBOLLA:
Síntesis estructura de control
Diseño de sistemas auxiliares
Síntesis red de intercambiadores Síntesis sistemas de separación
Síntesis red de reactores Síntesis caminos de reacción química
Método Pinch La tecnología “Pinch” presenta una metodología simple para acometer el diseño de las últimas capas
de
la
cebolla.
Permite
el
análisis
sistemático de los procesos químicos y de los servicios auxiliares con la ayuda de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica.
_ La conservación de la energía siempre ha sido un factor importante en el diseño de un proceso. _ El análisis del Punto de Pinch es una metodología para el diseño de sistemas de intercambio de calor más eficientes que llevan a un mejor diseño del proceso.
Ante el escenario actual de crisis energética alrededor del mundo, el objetivo de cualquier diseñador de procesos es maximizar la recuperación de calor de proceso-a-proceso y minimizar el uso de servicios (energía).
Para alcanzar esta meta de maximizar la recuperación de energía o minimizar los requerimientos energéticos, se necesita una apropiada red de intercambio de calor.
Figura: a) Diseño no integrado b) Diseño óptimo integrado
Método Pinch
• Mínimo Número de intercambiadores
• Maximiza distribución del calor.
• Mínima transferencia de carga
• Optimización servicios auxiliares
Esta técnica se ha aplicado en refinerías, fundidoras, plantas petroquímicas, papeleras, cerveceras y textiles, entre otras. Recientemente las compañías eléctricas japonesas han considerado el uso del análisis de pliegue para incrementar la eficiencia de los ciclos de generación de potencia. En 1984, Union Carbide declaró públicamente el haber logrado “ahorros promedio del 50% en los costos energéticos para plantas nuevas y periodos de recuperación de la inversión de seis meses en proyectos de rediseño”. En 1992, Shell hizo públicos los resultados obtenidos en un complejo de refinación en Holanda: una disminución global del 40% en el consumo de energía y del 75% en las emisiones líquidas contaminantes. Otras compañías (Exxon, Linde AG., Basf AG., Mw Kellogs, Mitsubishi Kasei, entre otras muchas) han hecho declaraciones similares agregando, además, que sin esta técnica de análisis no hubiera sido posible identificar, ni mucho menos materializar, el potencial de mejoras existente.
Ventaja de esta metodología:
_Estos valores mínimos (servicios y unidades de intercambio) se pueden obtener sin realizar un diseño detallado de la red de intercambio, sino sólo a partir de datos térmicos de las corrientes que participan.
Sus objetivos, además del mejoramiento de la eficiencia energética del proceso, incluyen: Reducción del costo de capital. b) Reducción del costo de la energía. c) Reducción de emisiones contaminantes. a)
d) Optimización del uso del agua. e) Mejoramiento de la operación y de la producción.
Metodología: Conceptos Básicos
Hay dos efectos termodinámicos básicos que influyen en el costo de capital:
1º) La fuerza impulsora Tmin 2º) Carga total de energía (servicios auxiliares)
Si la fuerza impulsora de la transferencia de energía Tmin es nula, el área de transferencia es infinita, lo que implica un coste infinito.
Cuando la fuerza impulsora Tmin aumenta, el coste del inmovilizado disminuye porque disminuye el área necesaria para la transferencia de calor. Pero los costos de operación aumentan ya que es necesario un caudal mayor de servicios de calefacción o refrigeración.
Valores típicos de Tmin: Sector industrial
Valor Típico de Tmin
Comentarios
Refino de petróleo
20 – 40 ºC
Coeficientes de transferencia relativamente bajos. Ensuciamiento de los intercambiadores.
Petroquímico
10 – 20 ºC
Buenos coeficientes de transferencia. Bajo ensuciamiento.
Químico
10 – 20 ºC
Igual que sector petroquímico.
Procesos a baja temperatura
3 – 5 ºC
Altos consumos energéticos. T min disminuye al disminuir la temperatura del proceso
Metodología:
El método se basa en detectar, bajo principios termodinámicos, un punto muy crítico para el diseño de la red llamado el Punto de Pinch o Punto de pliegue.
Conceptos:
Para mostrar los conceptos empleados y la forma de definir los objetivos energéticos (necesidades mínimas de calentamiento y enfriamiento) de un proceso, se puede considerar un sistema simple formado por una corriente de materia “fría” (Ci) (aquella que está “fría” y requiere calentarse) y una corriente de materia “caliente” ((Hi) aquella que está “caliente” y requiere enfriarse).
Considerando que las corrientes tienen flujo másico constante F y calor específico constante cp; al representarlas en un diagrama de temperatura (°C) versus entalpía de la corriente H (watt), se tendrán dos rectas siendo su pendiente la capacidad calorífica de flujo FCp.
La representación en el diagrama muestra la cantidad total de calor disponible (corriente caliente) y faltante (corriente fría) en el sistema y los niveles de temperatura entre los cuales se necesita calentar o enfriar
Calentamiento y enfriamiento sin integración térmica
Calentamiento y enfriamiento con integración térmica
Considérese ahora un proceso con varias corrientes frías y varias corrientes calientes. Se puede aplicar la misma lógica empleada para el caso de dos corrientes: Las corrientes calientes del proceso pueden graficarse en una sola corriente (curva compuesta caliente), sumando sus cargas térmicas en diferentes intervalos de temperatura.
_ Para cada ΔTmín la sobre_ posición de las curvas compuestas muestra la cantidad máxima de calor que puede recuperarse dentro del proceso (zona de traslape) y la cantidad mínima de calentamiento y enfriamiento que deben suministrar los servicios auxiliares (zonas fuera del traslape)
El punto de mínimo acercamiento entre las curvas compuestas, se llamará punto de Pinch (o punto de pliegue) de la recuperación de calor.
Punto de Pinch
Problema ejemplo: Considerar los datos del siguiente problema que consisten en 2 corrientes calientes y 2 corrientes frías
Corriente Nº
Condición
F cp (BTU/ (h ºF)
Tin
Tout
Qdisponible, 103 BTU/h
1
Caliente
1000
250
120
130
2
Caliente
4000
200
100
400
3
Fría
3000
90
150
-180
4
Fría
6000
130
190
-
1° Ley
360 Total = - 10
Diagrama de intervalos de temperatura. (2° Ley) 250
200
150
100
240
190
140
90
Escalas desfasadas en Tmin
Balance de energía de cada intervalo
•Qi = [ (Fcp) hot,i - (Fcp) cold,i ] * Δ Ti
Q1 = (1000) * (250 – 200) = 50* 10 3 Q2 = (1000 + 4000 - 6000) * (200 – 160) = - 40* 10 3
Balance de energía de cada intervalo Q1 = 50 * 10 3 Btu/h Q2 = - 40 * 10 3 Btu/h Q3 = - 80 * 10 3 Btu/h Q4 = 40 * 10 3 Btu/h Q5 = 20 * 10 3 Btu/h
Diagrama de Cascada Q1 Q1
Q2 Fuente caliente
Q1 + Q2
Fuente Fría
Q3
Q4 Q5
Diagrama de Cascada 50 50
- 40 Fuente caliente
50 – 40 = 10
Fuente Fría
- 80 10 – 80 = - 70
40 -70 + 40 = - 30
20 -30 + 20 = - 10
Diagrama de Cascada Q calefacción 70 50 70 + 50 = 120
- 40 Fuente caliente
120 – 40 = 80
- 80 80 – 80 = 0
Fuente Fría
PINCH
40 0 + 40 = 40
20 40 + 20 = 60
Q Refrigeración
Diagrama de intervalos de temperatura. (2° Ley) 250
200
150 140
100
240
190
140 130
90
PINCH
Temperatura Pinch: 140° para corrientes calientes 130° para corrientes frías
Q calefacción= 70 * 10 3 BTU/ h Q refrigeración= 60 * 10 3 BTU/ h
Diagrama Entalpía -Temperatura Curva entalpía - temperatura 280 240
T(º c)
200 160
Hh
120
Hc
80 40 0 0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
H (MW)
Nº Min intercambiadores= Ncorr + N serv – 1
Se lo determina por encima y por debajo del punto de Pinch.
Corolarios:
El Punto de Pinch divide al proceso en dos zonas, y los siguientes criterios son esenciales par obtener la red que se busca: a) No transferir calor a través del punto de pinch. b) No usar calentamiento abajo del punto de Pinch. c) No usar enfriamiento arriba del punto de Pinch.
(la
temperatura pinch intercambiador)
no
debe
quedar
dentro
de
ningún
