Equipo 1- Sistema de Cogeneracion.pdf

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN ASIGNATURA: SISTEMA DE COGENERACIÓN

TAREA: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DEL LIBRO “DISEÑO DE PROCESOS DE INGENIERÍA QUÍMICA - ARTURO JIMÉNEZ GUTIÉRREZ” GUTIÉRREZ”

EQUIPO: 1

INTEGRANTES: • •

HIPÓLITO GARCÍA PEDRO DE JESÚS MARTINEZ MACEDONIO FRANCISCO ROMÁN SÁNCHEZ DULCE ISABEL VÁSQUEZ MARTINEZ CARLOS MIGUEL •

•

CATEDRÁTICO: M.C RENE REYES ESTUDILLO

FECHA: 14/FEBRERO/2017

INTRODUCCION Los siguientes ejercicios realizados del libro “ Diseño de Procesos de Ingeniería Química Arturo Jiménez Gutiérrez” Gutiérrez ” donde se realiza la estimación del costo de un proceso. Donde un proceso industrial tiene estabilidad en el mercado si su aspecto económico es favorable. Para establecer una actividad económica se requiere de una inversión. A cambio de esa inversión se obtienen ingresos en forma de ventas, las cuales deben ofrecer un excedente adecuado sobre los costos que implica la operación del proceso para que este tenga un potencial favorable de comercialización. El ahorro de servicios ofrece un potencial interesante para mejorar la economía de un proceso. En un proceso químico, se tienen generalmente varias corrientes que requieren de calentamiento y otras que necesitan de enfriamiento. Una U na práctica común es satisfacer estos requisitos mediante el uso de servicios. Avances recientes han desembocado en técnicas para la síntesis de sistemas que aprovechan las características de las corrientes calientes y frías intercambien calor para ahorrar el consumo de servicios. Esto puede requerir un numero adicional de intercambiadores de calor; sin embargo, el ahorro en el costo de requerimientos energéticos en la mayoría de los casos compensa en exceso el costo adicional del equipo. Los principios del método del punto de pliegue tienen la virtud de lograr, mediante la cascada de calor, una predicción confiable del consumo mínimo de energía. Un complemento importante a los requerimientos de energía lo constituye la predicción del área de transferencia de calor que tendrá el diseño de una red.

2.1Laregladelos6/10seusaparaescalarelcostodeunprocesoporefectodela capacidadtotal.Deduzcaelcorrespondienteexponentedeescalamientoparael casoenqueseconsidereninversionesunitariasenvezdeinversionestotales. Paracomenzarahaceresteanálisisesnecesariodiferenciarcadaconcepto. La inversióntotal,eslacantidaddedinerototalqueinviertesoenpalabrasm ás específicas,eslasumadelacapitaldetrabajoylainversiónporcomponentes. La inversiónunitaria ,esunacantidaddedineroquetúrecuperascuandoinviertes. Paraellotúnecesitasunporcentajequesabesqueretornará. Ejemplo.Sitútienesunainversióntotalalañode1000d ólares,ysitienesunatasa de interésdel5%;despuésdelaño,tútendrás1050dólares de regreso, en pocas palabraslos50dólaressonlainversiónunitaria. Ahoraenellibronosplanteanque

 Elajustedelainversi óntotalporefectodelacapacidaddelprocesosigueunaregla exponencial.Dónde: Simesmenorquieredecirque:mayorcapacidadporunamenorinversión. Ahora nos piden cambiar la inversión total por una inversión unitaria (atención: la inversiónunitaria,serecuperaporun%quecambiaconeltiempo)Ejemplo2. 

Año

Inversion

Cantidad

total

total

%

Inversión unitaria

1

1977

54 x106

350

0.05

2.7 x106

2

1987

54 x106

300

0.07

3.78 x106

 Expresándoloenlaecuaciónantesmostrada



Por lo tanto m sería un número negativo (-1.9) y la variable m cambiaría cuantiosamente.Donde: Simesmenorquieredecirque:menorcapacidadporunamismainversión. Finalmentepodemosdecirquenoesmuyrecomendableutilizarlainversi ónunitaria,ya quedependeconsiderablementedelatasadeinterésylainversióntotal,ylamquese considera como un parámetro estable cambiaría mucho todos los años y eso no es bueno,porquedificultaríalainterpretacióndelcrecimientoeconómicodelaempresa.

2.2 Una planta química para producir propileno, con una capacidad de 50, 000 T/año, requiere una inversión de 30 millones de dólares. Se desea instalar un procesode40,000T/añodecapacidad.Elcostoactualdemateriasprimasesde10 c/lb,elcostodeenergíaesde3c/lb.Silacompañíaestableceunatasaderetorno mínimade20%¿cuálesla gananciaesperadadelproceso,en c/lbdeproducto? Indiquecualquiersuposiciónquehaga.Solución

•

Suponemosaños

Capacidad50000T/año,Inversión30x106 1977 Capacidad40000T/año 1984 

 •

Construcción(chemical): 

•

Costodelamateria





•

Consumodeenergía

Supongamosquelosrequerimientosdeenergíaseade0.06FOET/TON

 •

Costodeoperación

C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp  •

Ventas 

•

Utilidadbruta

R=S-C  •

Utilidadneta

P=R-eI-t(R-dI)

 

•

Ganancias

 

2.3Unacompañíaquiereinstalarunprocesode100KTdecapacidadparaproducir oxigenodeetileno.Silacompañíaoperabajounatasamínimadeinterésde20%.

a) ¿Cuáleslagananciaesperadaen¢/lb? b) ¿Cuáldebeserelpreciodelproducto? Informacióndelatecnología •

Materiaprimas Consumo

Etileno Oxigeno

precio ¢/lb

0.88 T/T producto 21 1.1 T/T producto 2 ¢/lb

•

Consumodeenergía:equivalentea1.8$/Tproducto

•

Inversiónnecesariaparaunprocesode136KTdecapacidad:$58.5x106

Primero:inversión LaInversi ón136000Tones$58.5x106 elproblemayadaeldato,porlotantono secalcula.

Segundo:Ajusteporcapacidad



Tercero:Ajusteportiempo

Año

Valores

del

chemical 1999

399.6

1977

204.1 

Cuarto:CostodemateriasPrimas Etileno 1c 1c/lb

22.0 2.026 USD/Ton

21c/ 21c/lb lb  462.5 462.546 46 USD/Ton   

Oxigeno 1c 1c/lb

22.0 2.026 USD/Ton

2c 2c/lb

44.0 4.052 USD/Ton





Quinto:costototaldelasmateriasprimas 

Sexto:Consumodeenergía



Séptimo:Costodeoperación



Octavo:UtilidadBruta Óxidodeetileno=48c/lb(1999)

1c 1c/lb

22.0 2.026 USD/Ton

48c/lb 48c/lb  1057.24 1057.248 8 USD/Ton   UtilidadBruta 

Noveno:UtilidadNetaoGananciaTotal E=d=0.1ti=0.5

Decimo:¿Cuáleslagananciaesperadaen¢/lb? 

DécimoPrimero:¿Cuáldebeserelpreciodelproducto?



2.4Sedeseainstalarunaplantade40KTdecapacidadparaproducirclorurode vinil vinilide ideno no. . Haga Haga un análisi lisis s econ económico mico de los los sigu siguie ient ntes es dos dos proc proces esos os para para decidircuáleselmásconvenienteainstalar PROCESO1 Balancedemateria Coeficiente

Precio

componente

T/TProducto

c/lb

Cloro

0.92

7.0

Ácidoclorhídrico

0.47

10.7

Tricloroetano

0.13

27.5

Clorurodevinilo

0.72

20.0

Clorurodevinilideno

1.00

35.0

Costodeenergía$61.77/tondeproducto Inversiónfijaparaunaplantade23KT:$20.93x106 PROCESO2 Coeficiente

Precio

componente

T/Tproducto

c/lb

Cloro

0.92

7.0


0.47

10.7

Tricloroetano

0.13

27.5

Clorurodevinilo

0.72

20.0


1.00

35.0

Costodeenergía:$109.42/TON Inversión fija para una planta de 23 KT :$ Suponga una tasa mínima de retorno del 20%. Si necesita hacer otras suposiciones,indíquelasexplícitamente Solución Proceso1 Inversión base =

 •




  •



 •


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp     R=S-C



•


P=R-eI-t(R-dI)  

•

Ganancias



Proceso2  Inversión base =

 •


 

 •



 •


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp    R=S-C  •


P=R-eI-t(R-dI)



    •

Ganancias  



Elconvenienteainstalareselproceso1debidoquehaymayoresgananciasy menosconsumodeenergíalocualgeneraunmenorcosto. 2.5Cumenopuedeproducirseapartirdebencenoypropileno.Sedeseainstalar unprocesousandoestarutaa100KT(100000T)decapacidad.Losdatosdela tecnologíasedanenseguida: Balancedemateria

Componente

coeficiente T/T

Benceno

-0.67

Cumeno

1.00

Propileno

-0.38

Requerimientodeenergía:0.06FOET/T Inversiónunitariaparaunprocesode127KT(127000T)decapacidad(1977$): 120$/T Usandodatoseconómicosde1999

a) Estimelaganaciadelprocesodespuésdeimpuestos,enc/lb,y b) Estimeelpreciodeventadeproducto

Supongaqueelpreciodelaceitecombustibleesde8c/lb.Supongaunatasade retornode30%,yunavidadeprocesode10años. Primero:inversión



Segundo:

Ajuste

por

capacidad 

Tercero:Ajusteportiempo Año

Valores

del

chemical 1999

399.6

1977

204.1    

Cuarto:CostodemateriasPrimas Benceno 1c/lb

22.026 USD/Ton

9c/lb

198.234 USD/Ton

  

propileno

1c/lb

22.026 USD/Ton

12c/lb 264.312 USD/Ton 





Séptimo:Costodeoperación  

Octavo:UtilidadBruta Cumeno=15c/lb(1999) 1c/lb

22.026 USD/Ton

15c/lb 330.39 USD/Ton   UtilidadBruta 

Noveno:UtilidadNetaoGananciaTotal

E=d=0.1ti=0.5

 Decimo:¿Cuáleslagananciaesperadaen¢/lb? 

DécimoPrimero:¿Cuáldebeserelpreciodelproducto?



2.6 una empresa industrial está considerando dos posibles alternativas de inversión: A1)instalarunaplantade136KTdecapacidadparaproducir ácidoacético,que tieneunpreciodeventade20c/lb. A2)instalarunaplantade345KTdecapacidadparaproduciramoniaco,quetiene unpreciodeventade15c/lb. Indique cual alternativa sería recomendable elegir, si la compañía basa su decisiónen:

a) Lamayortasaderetorno b) Elmayorbeneficioextra Basesuanálisisencostosde1990 Datosadicionalesparalastecnologías

Ácidoacético

Consumounitariodemateriaprimas:0.83den-butano Consumodeenergía:equivalentea1.6c/lbdeproducto Inversiónunitariaparaunaplantade136KT(1977$):410$/T

Amoniaco Consumounitariodemateriaprimas:0.42demetano Consumodeenergia:equivalentea3.5c/lbdeproducto Inversiónunitariaparaunaplantade345KT(1977$):230$/T

Supongalossiguientespreciosnbutano:4c/lbmetano4c/lbíndices económicosE=d=.1t=0.5 imin=0.15 Indiqueexplícitamentecualquiersuposiciónadicionalquehaga

Solución Ácidoacético

136 000

1977

136 000

1990

 •






•



 

•


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp   •


R=S-C  •


P=R-eI-t(R-dI)

 

•

Tasaderetorno

ROI=P/I

 •

Beneficioextra

V=P-imin*I  

Amoniaco 345000 1977345000 1990



•


    •





 •


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp   •


R=S-C 

•


P=R-eI-t(R-dI)

  •


ROI=P/I

 Beneficioextra V=P-imin*I

Lamejoreslaalternativa2porquetieneunamayortasaderetornoyunbeneficio extra

2.7 se desea instalar un proceso para la producción de acetona a partir de isopropanolconunacapacidadde100KT(100000T)

a) Estimelautilidadunitariadespuésdeimpuestos. b) Estimeelpreciodeventadelproducto. Basedeanálisisendatosde1999. Tecnología Consumounitariodemateriasprimas 1.11deisopropanol 0.04denitrógeno

Consumodeenergía 0.33FOET/T

Inversiónunitariaparaunaplantade68KT(1977$):160$/T Supongaparanitrógeno5c/Lb,yparaelaceitecombustible8c/Lb. Parámetroseconómicose=d=0.1t=0.5i min=0.15Primero: inversión



Segundo:

Ajuste

por

capacidad 


Valores

del

chemical 1999

399.6

1977

204.1 



Cuarto:CostodemateriasPrimas Nitrógeno 1c/lb

22.026 USD/Ton

5c/lb

110.13 USD/Ton

 

 isopropanol 1c/lb

22.026 USD/Ton

34c/lb 748.88 USD/Ton 




Octavo:UtilidadBruta Acetona=40c/lb(1999) 1c/lb

22.026 USD/Ton

40c/lb 888.24 USD/Ton   UtilidadBruta 


Decimo:¿Cuáleslagananciaesperadaen¢/lb?

 DécimoPrimero:¿Cuáldebeserelpreciodelproducto?

2.8Sedeseainstalarunaplantade40KTdeclorurodevinilideno.Basado enlainformaci óndelastrestecnologíasquesereportanenseguida,detecte laalternativaqueproporcionaelmenorcostodeproducción.Basesuanálisis encostosde1996.

Tecnología1 Balancedemateria Coeficiente componente

T/TProducto

Cloro

-1.03

Etileno

-.09

Dicloroetano

-0.83


.43

Hidróxidodesodio

-.46


1.00

Costodeenergía:$36/tondeproducto Inversiónfijaparaunaplantade23KT:$14.49x106(1977$)

23000

1977

40000

1996

 

•


•





  •


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp   •


R=S-C  •


P=R-eI-t(R-dI)

 

•


ROI=P/I

 


T/TProducto

Cloro

-0.92


0.47

Tricloroetano

0.13

Clorurodevinilo

-0.72


1.00

Costodeenergía:$61/tondeproducto Inversiónfijaparaunaplantade23KT:$20.93x106(1977$) 23000 40000

1977 1996

   •




 •



  •


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp  

•


R=S-C  •


P=R-eI-t(R-dI)   •


ROI=P/I

 


T/TProducto

Cloro

-3.01

Etano

-0.56

Clorurodeetilo

0.08

ÁcidoClorhídrico

2.11


1.00

Costodeenergía:$109/tondeproducto Inversiónfijaparaunaplantade23KT:$25.3x106(1977$) Otrosdatos: Depreciación10%,tasadeimpuestos50% Tasaderetornomínima15% Sedeseatenerunmesdeinventarioscomocapitaldetrabajo T=toneladasmétricas Escribacualquiersuposiciónadicionalquehaga

23000 40000

1977 1996

  •




 •



  •


C=aIf+bMp+CE+dMo-Psp

 •


R=S-C  •


P=R-eI-t(R-dI)

 •


ROI=P/I



Laprimeratecnologíaeslamásadecuadaporquedaunamayorutilidad netayeslamáseconómica 2.9Sepuedeproducirestirenopordeshidrogenacióndeetilbenceno.Los datostécnicosparaestatecnologíasonlossiguientes: Balancedemateria Componentes coeficiente,T/Tdeproducto Benceno

0.05

Etilbenceno

-1.15

Estireno

1.00

Tolueno

0.05

Requerimientosprimariosdeenergía:0.32FOET/T Inversiónunitariaparaunaplantade454KT(1977$):190$/T a)Estimarelcostodeproduccióndelestirenoen1999 Tomeelcostodelaceitecombustiblecomo8c/lb Primero:inversión



Segundo:Ajusteporcapacidad,suponiendoquesequiereproducir100KT. 


Valores

del

chemical 1999

399.6

1977

204.1   


22.026 USD/Ton

9c/lb

198.234 USD/Ton

 

 etilbenceno 1c/lb

22.026 USD/Ton

25c/lb 550.65 USD/Ton



estireno 1c/lb

22.026 USD/Ton

22c/lb 484.57 USD/Ton

 tolueno 1c/lb

22.026 USD/Ton

9c/lb

198.234 USD/Ton

 



Séptimo:Costodeoperación 



b)Repitaelincisoanteriorsuponiendoquelaplantaoperaal50%desu capacidadnominal Octavo:Costodeoperaciónconoperacióndel50%enambascapacidades

2.10considereelprocesodeproducci óndeCumeno,cuyosdatostécnicos se dan en el ejemplo 2.3 .considerando el mismo escenario económico, calculelatasaderetornosielpreciodeventadelproductosefijaen33c/lb yelprocesooperaaun80%desucapacidadnominaldebidoalimitaci ónde mercado. Informacióndelatecnología •

Materiaprimas Consumo

Etileno Oxigeno

precio ¢/lb

0.88 T/T producto 21 1.1 T/T producto 2 ¢/lb

•

Consumodeenergía:equivalentea1.8$/Tproducto

•

Inversiónnecesariaparaunprocesode136KTdecapacidad:$58.5x106

Primero:inversión LaInversi ón136000Tones$58.5x106 ,perocomoelprocesooperaal80% desucapacidadporlotantoel80%de136000 136 000 58.5 x106 108800 x 

x=$46.8 x106

108800entonces

Segundo:Ajusteporcapacidad




Valores

del

chemical 1999

399.6

1977

204.1    

Cuarto:CostodemateriasPrimas Etileno 1c/lb

22.026 USD/Ton

21c/lb 462.546 USD/Ton   

Oxigeno 1c/lb

22.026 USD/Ton

2c/lb

44.052 USD/Ton









Séptimo:Costodeoperación



Octavo:UtilidadBruta Óxidodeetileno=33c/lb(1999)

1c/lb

22.026 USD/Ton

33c/lb 726.858 USD/Ton   UtilidadBruta 

Noveno:UtilidadNetaoGananciaTotal

E=d=0.1ti=0.5

 ROI=P/I



4%detasaderetorno 2.11 anhídrido maléico, usado principalmente en la producción de poliésteres, se puede producirse mediante la oxidación de benceno. En seguidasedanlosdatostécnicosdeestatecnología. Componente Benceno

coeficiente, T/T de producto -1.19

Anhídridomaléico1.00 Consumodeenergía0.15FOET/T Inversiónunitariaparaunaplantade27000T(1977$):910$/T

Un grupo industrial tiene interés en instalar una planta basada en esta tecnología,conunacapacidadde20000T.Elan álisissedeseabasaren preciosde1999.

Sielpreciodeventasefijaen55c/lb,estimelatasaderetorno. Tomeelpreciodelaceitecombustiblecomo8c/Lb. Primero:inversión



Segundo:Ajusteporcapacidad,suponiendoquesequiereproducir100KT. 


Valores

del

chemical 1999

399.6

1977

204.1 


22.026 USD/Ton

9c/lb

198.234 USD/Ton

 AnhídridoMaléico 1c/lb

22.026 USD/Ton

53c/lb 1167.37 USD/Ton








Octavo:UtilidadBruta Poliésteres=55c/lb 1c/lb

22.026 USD/Ton

55c/lb 1211.43 USD/Ton   UtilidadBruta




Estimelatasaderetorno

 Podemosconcluirqueelprocesoesmuypocorentable.

2.12sehanencontradolossiguientesdatosparaunprocesodeproducción deciclohexano.Lainversi ónrequeridaesde$510000.Elcapitaldetrabajo esde$159000.Loscostosdeoperaci ónsonde2257400$/año,mientrasque las ventas anuales son de $2400000. ¿Cuál es la tasa de retorno del proceso?Indiqueexplícitamentecualquiersuposiciónquehaga. Solución •

InversiónI=510000

•

CostosdeoperaciónC=2257400

•

VentasS=2400000

•

UtilidadbrutaR=S-C=2400000-2257400=.1426x106

•

UtilidadnetaP=142600-.1(510000)-0.5(142600-0.1(510000))=.0458x106

•

TasaderetornoROI=

8%detasaderetorno 2.13 Ácido tereftálico, usado para la producción de poliéster, puede producirse mediante oxidación con aire de p-xileno en presencia de un

catalizador de cobalto – manganeso – bromo. Los siguientes son datos técnicosdeesatecnología. Balancedemateria ComponenteCoeficiente,T/Tdeproducto Ácidoacético-0.06 Ácidotereftálico1.00p-

xileno-0.67 Requerimientosdeenergía:0.34FOET/T Inversiónunitariaparaunaplantade150KT(1977$):910$/T Sedeseahacerunan álisisdeunprocesode120KTbasadoencostosde 1986. a) Silaplantaoperaacapacidadcompleta,estimeelpreciode

ventadelproducto. b) Sielpreciodelproductosefijaen40c/lbyelprocesoopera

a75%decapacidad,estimelatasaderetorno.Ácidoacetico: 25c/lbp-xileno:20c/lb

  



  Ahoracon75%decapacidad

  



  

2.14Considereelprocesodedisproporcionacióndetoluenoparaproducir benceno y xileno. Hengstebeck y Banchero estimaron una inversion en equipoprincipalde3,742,000d ólares($1969).Otrosaspectosdelprocesose danacontinuacion.Loscostosestánenpreciosde1969. Costosdeservicos,enmilesdedolaresporaño: Electricidad322000USD/año Vapor520000USD/año Agua30000USD/año Materiales,BCD(60oF) Toluenoalimentado3780 Productos

Benceno1590 Xileno2000 H2alimentado,106SCFD1.88 Aceitecombustible,106Btu/dia1700 Notas:BCD=barrilespordia SCFD=piescubicosestándar/dia Enbasealosdatosmostrados,estime a) Elcostodeoperacióndelproceso. b) Larentabilidaddelproceso.Interpreteelresutado. c) Larentabilidaddelprocesosiésteoperaal70%desucapacidad

nominal.Interpreteelresultado. Hagasusestimacionesusandopreciosde1986

 1)Calculodemateriasprimas tolueno

 hidrogeno 

Costototaldemateria:11.59X106

Costototaldeservicios=1.20x106 a)Solulucion:

b)Solucion:

 Conversióndelaventa: Benceno:

 Xileno}:



Ventatotal:53.15x10ala6 c)

Utilidadbruta: 

d)

Utilidadneta:

e)

Tasaderetorno:

Solucióndelincisob) 

2.15Repitaelproblemaanteriorusandolosdatosqueparaestatecnolog ía reportanRuddycolaboradores. ComponenteCoeficienteT/Tproducto Benceno1.00 Aceitecombustible0.01 Tolueno-2.69 Xilenos1.61 Consumodeenergía0.28FOET/T Inversionunitariaparaunaplantade90KT(1977$)90$/T a) Elcostodeoperacióndelproceso. b) Larentabilidaddelproceso.Interpreteelresutado. c) La rentabilidad del proceso si éste opera al 70% de su capacidad

nominal.Interpreteelresultado.



  2.16

Considere

ahora

la

producción

de

benceno

mediante

hidrodealkilacióndetolueno.Losdatostécnicossonlossiguientes: ComponentecoeficienteT/Tproducto Benceno1.00 Hidrógeno-0.07 Metano0.24 Tolueno-1.20 Consumodeenergía0.08FOET/T Inversiónunitariaparaunaplantade90KT(1977$)60$/T

Establezcaunacomparacióndelpanoramaeconómicodeestatecnología conrespectoaladelproblemaanterior.Tomando1986  





2.17

Para el caso de la tecnología de hidrodealkilación de tolueno del

problemaanterior, compare la tasa de retorno que se obtiene cuando el proceso opera al 50% de su capacidad con respecto a la esperada si el procesooperaacapacidadcompleta





  2.18

Se desea construir una planta de 15,000 toneladas por a ño de

capacidadparaproducirciclohexanolmedianteoxidacióndeciclohexano.A partirdelainformacióntécnicayeconómicaqueseproporciona,estime: a) Elpreciodeventadeciclohexanolen1999 b) Lautilidaddelproceso,enc/lb

Datostécnicosdelproceso

Balancedemateria ComponenteCoeficiente.T/Tdeproducto Ciclohexano-1.64 Ciclohexanol1.00 Ciclohexanona0.38 Hidróxidodesodio-0.13 Energíarequeridacomoservicos:0.43FOET/T Inversiónunitariaparaunaplantade23KTdecapacidad(1977$):550$/T





2.19 El tereftalato de dimetilo puede producirse a partir de p-xileno. A continuaciónsedanlosdatostécnicosdeestatecnología. Balancedemateria ComponenteCoeficiente,T/T Tereftalatodedimetilo1.00 Metanol- 0.41p-xileno- 0.63 Consumodeenergía:0.32FOET/T

Inversiónunitariaparaunaplantade150KT(1977$)820$/T Se desea evaluar la factibilidad de instalar una planta de 120 KT de capacidad para producir este compuesto. Base su análisis en datos de preciosde1996. a) Estimelatasaderetornoesperadaparaesteproceso. b) Silatasam ínimaderetornoestablecidaporlacompañíaesde0.15,

Calculeelbeneficioextra.Interpreteelresultado.



 

2.21. Anhídrido maleico, usado principalmente en la producción de poliésteres,puedeproducirsemediantelaoxidaci ónbenceno.Enseguida sedanlosdatostécnicosdeestatecnología. Balancedemateria 

Componente

Coeficiente

T/T

de

producto Benceno

-1.19 (reactivo)

Anhídridomaleico

1.0

(producto)

 Consumodeenergía:0.15FOET/T Inversiónunitariaparaunaplantade27000T(1977$/T Ungrupoindustrialtieneinteréseninstalarunaplantabasadaenesta tecnología,conunacapacidadde20000T.Elanálisissedeseabasaren preciosde1999. Sielpreciodeventasefijaen50c/lb,estimelatasaderetorno. 0)

Inversiónajustadaportiempo: 

 1)

Calculodelamateriasprimas: 

2)

Costodeoperacióndelproceso: 

3)

Conversióndelaventa:

 4)

Utilidadbruta: 

5)

Utilidadneta:

6)

Tasaderetorno: 



2.22.ConsiderelastrestecnologíasreportadasporRuddetal. (petrochemicaltecnologyassement,Johnwiley,1981)paraproducir clorurodevinilo.

a)

Estimelospreciosdeventaparacadatecnologíasuponiendoquecada

procesoseoperaasucapacidadnominal. Calculodeinversiónpara1977

 830 $   19.09  10 $  1  23000   ñ Ajusteportiempo

  36.53 10 $  2  19.09  10 ñ$ . . ñ Costodemateriaprima

 14 ₵ 22.026 $23000       1      7.092  10 ñ$  17 ₵ 22.026 $23000    10.248 10 $   1.19     ñ  265 ₵ 22.026 $23000    2.684  10 $   0.02     ñ Costodeenerg a    1.256  10 $ . 0.31   8 ₵ 22.026 $23000  ñ Costodeproducci n             0.0536.5$3  10 ñ$ 7.$092  10 ñ$  $ 10.248 10 ñ+1.256  10 ñ  2.684  10 ñ  17.7385  10 ñ$ Costodeventasanuales   23000  14 ₵ 22.026 $  0.322 10 ñ$  Utilidadbruta       0.322 10 ñ$  17.7385  10 ñ$  17.4165  10 ñ$ Utilidadneta      $ $   17.4165  10 ñ  0.136.53  10 ñ0.5 17.4165  10 ñ$  0.1 36.53  10 ñ$   19.24 10 ñ$ í

ó

Preciodeventa

     a  ñ$ 0 . 3 22 10     23000  14 $/ b)

Estimelospreciosdeventaparacadatecnologíasicadaprocesose

operaaunniveldeproducciónde150KT/año.

Calculodeinversiónpara1977

 830 $   19.09  10 $  1  23000   ñ Ajusteporcapacidad

.  58.80 10 $  2  19.09  10 ñ$    ñ Ajusteportiempo

  112.52 10 $  2  58.80  10 ñ$ . . ñ Costodemateriaprima

 14 ₵ 22.026 $150000     i  1      46.2546  10 ñ$  17 ₵ 22.026 $150000    66.83 10 $   1.19     ñ  265 ₵ 22.026 $150000    17.51  10 $   0.02     ño Costodeenerg a    8.1936  10 $ . 0.31   8 ₵ 22.026 $150000  ñ Costodeproducci n             0.05112.$ 52  10 ñ$ 46.$ 2546  10 ñ$ $ 66.83 10 ñ+8.1936  10 ñ  17.51  10 ñ  109.39 10 ñ$ Costodeventasanuales   150000  14 ₵ 22.026 $  46.25 10 ñ$  í

ó


     

 ñ$ 4 6. 2 5 10     150000  308.33 $/ Basesuanálisiseconómicoendatode1999.Tomeelpreciodelaceite combustiblecomo8C/lb. 

 2.23elcopolimeroclorurodevinilo/acetatodevinilopuedeproducirse

medianteunprocesodepolimerizacionensuspension.Losdatosdela tecnologiasonlassiguientes:

Si se considersa adquirir una planta basada en esta tecnologia con una capacidadde30KT,estimeelpreciodelproducto.Basesusestimaciona preciosde1986.Deserposible,comparesuestimacionconelpreciode mercadoyanaliceelresultado. Calculodelainversiónpara1977

 830 $  19.09  10 $ 1  23000   ñ Ajusteporcapacidad . $ 30000   1  19.09  10 ñ23000   22.389  10 ñ$

Ajusteportiempo

4  34.927  10 $ 2  22.389  10 ñ$ 318. 204.1 ñ Costodemateriaprima

 39 ₵ 22.026 $30000    4.896  10 $     0.19     ñ

T 28 ₵ 22.026 $30000     . 0.88      16.281  10 ñ$ Costodeenergía

   1.638 10 $ . 0.31   8 ₵ 22.026 $30000  ñ Costodeproducci n           $   0.0534.9$27  10 ñ4.$896  10 ñ$  $ 16.281 10 ñ+1.638  10 ñ  24.561  10 ñ Costodeventasanuales   30000  39 ₵ 22.026 $  25.770 10 ñ$  ó


       ñ$ 25. 7 70 10     30000   859 $ 

2.24considerelossiguientesdatostécnicosparaelprocesodeproducción deacrilaminamediantehidratacióndeacrilonitrilo:

Calculeelpreciodeventadelproductoen1999sielprocesooperaal90% desucapacidadnominal¿Cuáleslautilidaddespuésdelimpuesto? Calculodelainversiónpara1977

 0.62 $  0.00868  10 $ 1  14000   ñ Ajusteporcapacidad . $ 12600   1  0.00868  10 14000   0.00814  10 ñ$ Ajusteportiempo $ 390.6  0.01661  10 $ 2  0.00868  10  204.1 ñ Costodemateriaprima

 53 ₵ 22.026 $12600     0.76      11.1788  10 ñ$

 6 ₵ 22.026 $12600    0.0166  10 $  . 0.01     ñ  30 ₵ 22.026 $12600    0.1665  10 $ ℎ. 0.02     ñ Costodeenergía

   0.8436  10 $ . 0.38   8 ₵ 22.026 $12600  ñ Costodeproducci n           $ $  0.0166  10 $     0.050.01661  10 11. 1 788  10 ñ $ ñ $ ñ $    0.1665  10 ñ+0.8436  10 ñ  12.2063  10 ñ Costodeventasanuales   12600  80 ₵ 22.026 $  22.2022  10 ñ$  Utilidadbruta      22.2022  10 ñ$  12.2063  10 ñ$  9.9959  10 ñ$ Utilidadneta      dI$  $ $ P  9.9959 x 10 ñ  0.1 0.01661 x 10 ñ 0.5 9.9959 x 10 ñ  0.10.01661 x 10 ñ$   4.9971 x 10 ñ$ ó

9.1 Lee, Masso y Rudd (Ind. And Eng. Chem. Fund.,9, 48, 1970) usaron el método de Branch yBound

para generar redes óptimas de intercambiadores de calor. Resuelva los problemas 5SP1 y 6SP1 mostrados abajo usando el método del diagrama de contenido de calor. Compare sus resultados con los óptimos reportados por Lee et al. de 38,278 $/año (para el problema 5SP1) y 35,108 $/año (para el problema 6SP1). Problema 5SP1

corriente 1 2 3 4 5

flujo, lb/hr 27000 42000 35000 36000 38000

Tent, °F 100 480 150 400 200

Tsal, °F 400 250 360 150 400

Cp, Btu/lb°F 0.8 0.75 0.7 0.7 0.65

Problema 6SP1

corriente 1 2 3 4 5 6

flujo, lb/hr 20000 40000 36000 35000 31000 42000

Tent, °F 100 440 180 520 200 390

Tsal, °F 430 150 350 300 400 150

Cp, Btu/lb°F 0.8 0.7 0.91 0.68 0.85 0.8

Datos de diseño

Presión de vapor Temperatura de agua de enfriamiento Temperatura máxima de salida del agua de enfriamiento Diferencias mínimas de temperatura Intercambiadores de calor Calentadores Enfriadores Coeficientes globales de transferencia de calor Intercambiadores de calor Calentadores Enfriadores Tiempo de reparación del equipo Costo de intercambiadores Costo de agua de enfriamiento Problema 5SP1

Corriente C1 C2 F1 F2 F3

flujo, lb/hr 36000 42000 27000 35000 38000

Tent, °F 400 480 100 150 200

l

l

l

l

l

Tsal, °F 150 250 400 360 400

l

psia °F °F

20 25 20

°F °F °F

150 200 150 380 350A^0.6 5.00E-05

Btu/hrft2°F Btu/hrft2°F Btu/hrft2°F

WCp, Cp, Btu/lb°F Btu/hr °F 0.7 25200 0.75 31500 0.8 21600 0.7 24500 0.65 24700

Diagrama de contenido de calor __ __ __ __ __

450 100 180

l

l

hr/año (A en ft2) $/lb

480

500

400 4940000 W 400 5145000 W

C2 323 7145000 W – 4940000 W = 2205000 W

300 C1

250 200 196 6300000 W – 5145000 W = 1155000 W 150

100 USAR AGUA DE ENFRIAMIENTO 25200 21600

31500 24500

USAR VAPOR DE CALENTAMIENTO 400 400 360 6480000 W 5145000 W 300

F1

F2

202 200 2205000 W

Asignación de intercambio de calor entre las corrientes.

150

Red de intercambio de calor.

Equipo

DT1

DT2

MLDT

1 2 3 Cal. Enf.

80 121 40 18.3 20

123 150 46 256.3 50

99.9633342 134.981191 42.9301418 90.1703835 32.7407

U Btu/hrft2°F 150 150 150 200 150

Q (Btu/hr)

Área, ft2

4940000 2205000 5145000 4276800 1155000

329.45413 108.904062 798.972437 237.151037 235.181288

  350  ^0. 6 Suponiendo un costo de vapor de 1 X10-3 $/lb Qcalentador = Calor latente =

BTU/hr 4276800 1716.2 - 1085.4 (KJ / kg)

630.8

Vapor (lb/hr) = Vapor (lb/año) =

15790.2898 lb/hr 132322629 lb/año

Q enfriador=

BTU/hr 1155000 2609.6 - 251.13 (KJ / kg)

Calor latente = Agua (lb/hr) =

Agua (lb/año) =

1139.1656 lb/hr 9546207.71 lb/año

KJ/Kg

2358.47

= 270.85 BTU/lb

KJ/Kg = 1013.9 BTU/lb

Suponiendo un costo de vapor de 1E-3 $/lb

Equipo

1 2 3 Cal. Enf.

Costo

Vapor, lb/año

Agua, lb/añoCosto de servicios, $/año

4861.47697 2502.17515 8271.99641 3991.2256 132322629 132322.6288 3971.30203 9546207.71 477.3103856 23598.1762 Costo equipos 132799.9391

Costo de operación = (Costo de equipos / 10) (Costo Servicios) Costo de operación =

135159.757 $/año

9.2 Considere las siguientes corrientes:

Corriente Tent. °F Tsal °F Wcp Btu/hr °F 1 600 500 80 (condensa a 500 °F, Wλ=114000 Btu/hrs.) 2 450 590 110 3 300 400 50

Q Btu/hr 8000 15400 5000

∆T min. = 10 °F

Use el método heuristico basado en el diagrama de contenido de calor para encontrar una red de intercambio de Calor que maximice la recuperación de energía.

Q nt =

7400

∆Tf1

=

67.2727273

Tsf1 =

532.727273

EQUIPO 1

(600 -500)°F y (532.73 -450) °F

EQUIPO 2

Utilizar vapor (500)°F y (300 - 400)°F

Red de intercambio.

F1

F2 30

45

C

50

60

50 2

1 53

40

9.4 Dos corrientes necesitan enfriarse y dos calentarse y de acuerdo con la siguiente tabla.

Corrientes 1 2 3 4

Tent ºF 250 180 110 110

Tsal ºF 100 100 200 230

Flujo Lb/hr 9500 12000 10000 10000

Cp Btu/LbºF 1 0.7 1 0.9

∆Tmin = 20 ºF

Use el método del pliegue y obtenga: a) b) c) d)

Los requerimientos mínimos de servicios. El punto de pliegue para las corrientes caliente y frías. El numero mínimo de unidades para este problema. La red de intercambiadores de calor que consuma el mínimo requerimiento de servicios. Especifique claramente temperaturas de los intercambiadores y cargas térmicas de calentadores y enfriadores. Tcorregiadas WCp Toriginales 230 250 9500 100

80

180 100 110

160

8400

80

110 200 110 230

200 110

10000 9000

230 ∆H=(ΣWCpc-ΣWCpf)(Ti-Ti+1) ∆H1=(9500-9000)(230-200)=1.5x104 ∆H2=(9500-9000-10000)(200-160)= -3.8x105 ∆H3=(9500+8400-9000-10000)(160-110)= -5.5x104 ∆H4=(9500+8400)(110-80)= -5.37x105

Cascada de calor

4.2x105

0 4

1.5x10

4

5

1.5x10

-4.35x10

Qh

-3.8x10

5

5

-3.65x10

3.65x10

5

-5.5x10

4

-4.2x10

5

5

0

5

-5.37x10

-1.17x10

5.37x10

5

130

110

250

PINCH

100 180 100 200 110 230 110

Red de intercambio: Arriba del pinch U = 4 – 1 + 1=4 Debajo del pinch U = 2+ 1-1 = 2

180.5

130

250

100 130 180

100

200

110

230

110 156.7

9.4 Dos corrientes necesitan enfriarse y dos calentarse de acuerdo con la siguiente tabla: Temperatura Flujo Corriente Capacidad calorífica Lb/hr Btu/lb T salida T entrada 1 250 1 100 9500

2 3 4

180 110 110

100 200 230

12000 10000 10000

0.7 1 0.9

∆T min = 20°F

Use el método de puno de pliegue y obtenga: a) Los requerimientos mínimos de servicio b) El punto de pliegue para la corrientes clientes y frías. c) El número mínimo de unidades para este problema d) La red de intercambiadores de calor que consume el mínimo requerimiento de servicios. Especifique claramente temperaturas de los intercambiadores y cargas térmicas de calentadores y enfriadores Respuesta Temperaturas modificadas para las temperaturas calientes: Corriente 1 : Tent = 250 − 20 = 230

Corriente 2

Tsal = 100 − 20 = 80 Balance de entalpías Formula: ∆Hi = (∑WCp cal −∑WCp frias )(Ti − Ti+1 ) ∆H1 = (230 − 200)(9500 − 9000) = 15000 ∆H2 = (200 −160)(9500 −19000) = −380000 ∆H3 = (160 −110)(17900 −19000) = −55000 ∆H4 = (110 − 80)(17900) = 537000 Cascada de calor 0--------------- 420000 Qh 15000 -------- 435000 365000 ------- 55000 420000 ------- 0 PINCH 117000 ------- 537000 Qc Tent = 180 − 20 = 160 Tsal = 100 − 20 = 80 a) Cantidad mínima de calentamiento =420000 BTU Cantidad mínima de enfriamiento =537000 BTU b) Punto de pliegue para las corrientes frías 110 y 130 para las corrientes calientes c) U min = Nc + Ns −1 U min = 4 +1−1 = 4 Arriba del pinch U min = 2 +1−1 = 2 Abajo del pinch 9.6. Considere las siguientes corrientes de proceso: Corriente Tent, ºC Tsal, ºC WCp, Kcal/hr ºC h1 100 4 60 140 6 h2 25 c1

20

180

8

Suponiendo una

∆ Tmin = 10 ºC use el método del punto de pliegue para diseñar una red de

intercambiadores de calor. Reporte los siguientes puntos: a) b) c) d)

Los requerimientos mínimos de servicios. El punto de pliegue para corrientes calientes y frías. El número mínimo de unidades para la red. La red de intercambiadores de calor que consuma la mínima cantidad de servicios.

Q, Corriente h1 h2 c1

T ent ºC 100 140 20

Tsal ºC 60 25 180

Wcp 4 6 8

Kcal/hr

160 690 1280

Ajuste de temperaturas: 90 50 130 15 20 180

T3 T4 T2 T6 T5 T1

h1 T1 T2 T3 T4 T5 T6

180 130 90 50 20 15

H1 =

(0-8)*(180-130) =

-400

Kcal/hr

H2 =

(6-8)*(130-90) =

-80

Kcal/hr

H3 =

(4+6-8)*(90-50) =

80

Kcal/hr

H4 =

(6-8)*(50-20) =

-60

Kcal/hr

H5 =

(6-0)*(20-15) =

30

Kcal/hr

h2

c1

Cascada de calor: 0

480

H1 =

-400

-400

H2 =

-80

-480

80 Pinch 0

H3 =

80

-400

80

H4 =

-60

-460

20

H5 =

30

-430

50

Umin = Nc +Ns -1

Umin = 3 + 2 -1 = 4

c1 --- h1 h1 =

160

Kcal/hr

c1 =

1280

Kcal/hr

∆

Tc1 = Tsc1 =

c1 =

160 / 8 = 20 20 + 20 = 40

ºC

1280160=

Kcal/hr

1120

ºC

A h2 se le agrega un enfriador que permite tener una Tmin para el siguiente intercambio con c1 h2 --- C (enfriador)

Tih2 = ∆

Th2 =

40 + 10 = 50

ºC

50 - 25 = 25

ºC

C=

6 * 25

= 150

Kcal/hr

h2 =

690-150 = 540

Kcal/hr

c1 --- h2 h2 = c1 =

540 1120

Kcal/hr Kcal/hr

∆

Tc1 =

690 / 8 = 67.5

ºC

Tsc1 =

40+67.5= 107.5

ºC

1120-

c1 =

540=

c1 --(calentador) H = 580 c1 = 580-580=

a)

b)

580

Kcal/hr

H Kcal/hr 0 Kcal/hr

Cantidad mínima de calentamiento = Cantidad mínima de enfriamiento = T=

480 50 140

Kcal/hr Kcal/hr ºC para calientes

las

Corriente s

El punto de pliegue queda entre T= c)

d)

100

ºC para las correientes frias

El número mínimo de unidades para la red = 5

La red de intercambiadores de calor que consuma la mínima cantidad de servicios

9.7 Dos corrientes necesitan enfriarse y dos calentarse y de acuerdo con la siguiente tabla:

Corrientes H1 H2 C3 c4

Tent ºF 150 220 80 50

Tsal ºF 70 150 270 120

WCpx10-4 Btu/ºF 10 4 5 3

∆Tmin = 20 ºF

Use el método del pliegue y obtenga: Los requerimientos mínimos de servicios. El punto de pliegue para las corrientes caliente y frías. La red de intercambiadores de calor que consuma el mínimo requerimiento de servicios Toriginales 150 70 220 150 80 270 50 120

Tcorregiadas 130 50 200 130 80 270 50 120

∆H=(ΣWCpc-ΣWCpf )(Ti-Ti+1) ∆H1=(0-5)(270-200)=-350 ∆H2=(4-5)(200-130)= -70

∆H3=(10-5)(130-120)= 50 ∆H4=(10-5-3)(120-80)= 80 ∆H5=(10-3)(80-50)= 210

Cascada de calor

0

420

Qh

-350

-350

70

-70

-420

0

50

-370

50

80

-290

130

-80

340

210

Pinch

Qc

PINCH 150

130

150 180

70

150

270

80 120

50

1-. Ajuste de la temperatura mínima:

Corriente

T ent, ºF

Tsal, ºF

WCp x 10-4, Btul/hr°F

h1

150

70

10

h2

220

150

4

C1

100

290

5

C2

70

140

3

2.- Orden de mayor a menor de las temperaturas ajustadas: Intervalo de T.:

T1=290 ˃ 290—220 T2=220 > 220—150 T3 = 150 > 150—140 T4 = 140 > 140—100 T5 = 100 > 100—70 T6 = 70

T Entrada Salida

T

150 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T 3 70 ------ T4 220----------------------------------------------------------------------------------------------DUPLICADA

150----- T 6 100----------------------------------------------------------------------------------------------------------- T 5 290 ------ T 1 70------------------------------------------------------------------------------------------------DUPLICADA

140-------T 2

3.- Balance Entalpico

∆       1

∆H  ∆H  ∆H  ∆H ∆H 

= (-5)*(290-220) = -350 Btu/hr°F = -(3+5)*(220-150) = -560 Btu/hr°F = ((10)-(5+3))*(150-140) = 20 Btu/hr°F = ((4)-(3+5))*(140-100) = -160 Btu/hr°F = (4)*(100-70) = 120 Btu/hr°F

4.- Cascada de Calor Regla heurística T1 = 290 ºF Q1 = 0 Btu/hr°F = -350 Btu/hr°F T2 = 220 ºF Q2 = 0 Btu/hr°F /+ (-350 Btu/hr°F = -350 Btu/hr°F = -560 Btu/hr°F T3 = 150 ºF Q3 = (-350K Btu/hr°F)+ (-560 Btu/hr°F = -910 Btu/hr°F = 20 Btu/hr°F T4 = 140 ºF Q4 = (-910 Btu/hr°F) + (20 Btu/hr°F) = -890 Btu/hr°F = -160 Btu/hr°F T5 = 100 ºF Q5 = (-890 Btu/hr°F) + (-160 Btu/hr°F) =-1050 Btu/hr°F = 120 Btu/hr°F T6 = 70 ºF Q6 = (-1050 Btu/hr°F) + (120 Btu/hr°F) = -930 Btu/hr°F

∆H ∆H ∆H ∆H ∆H

Qh = Cantidad mínima de calentamiento

Qh = 1050 Btu/hr°F T1 = 290 ºF Q1 = 1050 Btu/hr°F = -350 Btu/hr°F T2 = 220 ºF Q2 = 1050 Btu/hr°F /+ (-350 Btu/hr°F = -700 Btu/hr°F = -560 Btu/hr°F T3 = 150 ºF Q3 = (700K Btu/hr°F)+ (-560 Btu/hr°F = 140 Btu/hr°F = 20 Btu/hr°F T4 = 140 ºF Q4 = (140 Btu/hr°F) + (20 Btu/hr°F) = 160 Btu/hr°F = -160 Btu/hr°F T5 = 100 ºF Q5 = (160 Btu/hr°F) + (-160 Btu/hr°F) = 0 Btu/hr°F = 120 Btu/hr°F T6 = 70 ºF Q6 = (0 Btu/hr°F) + (120 Btu/hr°F) = 120 Btu/hr°F

∆H ∆H ∆H ∆H ∆H

Qh = Cantidad mínima de enfriamiento

Qh = 120 Btu /hr°F Con respecto a las temperaturas or iginales el punto d e pliegue para la cor riente caliente es 100 ºC y para la corr iente fría es 70 ºC

5.- Grafica de corriente de problema de diseño ubicada con respecto al punto de pliegue.

El número mínimo de unidades que se requiere para cada lado de la red se estima con la siguiente formula

      1

UMIN = Número mínimo de intercambiadores Nc = Numero de corrientes involucradas NS= Numero de servicios a) Para la zona de arriba del punto de pliegue o zona de calentamiento.

  411  4   411  4

b) Para la zona abajo del punto de pliegue o zona de enfriamiento.

Se debe elegir el intercambiador adecuado siempre y cuando se aplique.

 ≥  4-2 3-1

3 Btu/hr°F ---4 Btu/hr°F 5 Btu/hr°F --- 10 Btu/hr°F

6.- Generar cascada de calor. Arriba del punto de pliegue Qc1 =10 Btu/hr°F (150-100)°C = 500 Btu/hr°F Qc1 = 4 Btu/hr°F (220-100)°c =480 Btu/hr°F Qf1 = 5 Btu/hr°F (290-70)°C = 1100 Btu/hr°F Qf2 = 3 Btu/hr°F (140-70)°c = 210 Btu/hr°F

Abajo del punto de pliegue Qc1 =10 Btu/hr°F (220-100)°C = 1200 Btu/hr°F Qc1 = 4 Btu/hr°F (100-70)°c =120 Btu/hr°F Qf1 = 5 Btu/hr°F (100-70)°C = 150 Btu/hr°F Qf2 = 3 Btu/hr°F (100-70)°c = 90 Btu/hr°F Corriente 2-4

Btu/hr°F  160º ∆  4803 Btu/hr°F     160 º 70º  230 º  °F ∆  5 °F  72º     72 º 70º  142 º 1-3

2-4 QF = 480 – 210 = 270

Btu/hr°F Btu/hr°F  90 º ∆  2370Btu/hr°F     90 º 142º  232 º Red de intercambiador de calor. Red de intercambiador de calor.

1) Ajuste de la temperatura mínima.

Corriente

T ent, ºc

Tsal, ºc

WCpKcal/hr°C

h1

175

50

10

h2

120

65

40

C1

30

175

20

C2

50

130

15

2) Ordenar mayor a menor la temperaturas ajustadas. Intervalo de T. T1=175 ˃ 175—130 T2=130 > 130—120 T3 = 120 > 120—65 T4 = 65 > 65—50 T5 = 50 > 50—30 T6 = 30

T Entrada Salida

T

175 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T 3 50 ------ T4 120----------------------------------------------------------------------------------------------DUPLICADA

65------ T 6 30 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ T 5 175 ------ T 1 50------------------------------------------------------------------------------------------------DUPLICADA

130-------T 2 3) Grafica de las corrientes de acuerdo a su temperatura modifica.

4) Balance Entalpico. Entalpico .

∆             1 ∆H  ∆H  ∆H  ∆H ∆H

= (-20)*(175-130) = -900 Kcal/hr °c = -(15+20)*(130-120) = -350Kcal/hr°c = ((10)-(20+15))*(120-65) = -1375 Kcal /hr °c = ((40)-(15+20))*(65-50) = 75 Kcal /hr °c = (40)*(50-30) = 800 Kcal/hr °c 5) Cascada de calor Regla heurística T1 = 175 ºC Q1 = 0 Kcal/hr°c = -900 Kcal/hr°c T2 = 130 ºC Q 2 = 0 Kcahr°cl/+ (-900Kcal/hr°c = -900Kcal/hr°c



∆H

∆H ∆H ∆H ∆H

= -350 K cal/hr°c T3 = 120 ºC = -1375 Kcal/hr°c T4 = 65 ºC = 75 Kcal/hr°c T5 = 50 ºC = 800Kcal/hr°c T6 = 30 ºC

Q3 = (-900 Kcal/hr°c)+ (-350 Kcal/hr°c= -1250 Kcal/hr°c Q4 = (-1250 Kcal/hr°c + (-1375Kcal/hr°c) = -2625Kcal/hr°c Q5 = -2625 Kcal/hr°c+(75Kcal/hr°c= -2550 Kcal/hr°c Q6 = -2550Kcal/hr°c+ 800Kcal/hr°c = -1750 Kcal/hr°c


Qh = 2625 2625 Kcal/hr °c T1 = 175 ºC Q1 = 2625 Kcal/hr°c = -900 Kcal/hr°c T2 = 130 ºC Q 2 = 2625 Kcahr°cl/+ (-900Kcal/hr°c = 1725 Kcal/hr°c = -350 K cal/hr°c T3 = 120 ºC Q3 = (1725 Kcal/hr°c)+ (-350 Kcal/hr°c= 1375 Kcal/hr°c = -1375 Kcal/hr°c T4 = 65 ºC Q4 = (1375 Kcal/hr°c + (-1375Kcal/hr°c) = 0 Kcal/hr°c = 75 Kcal/hr°c T5 = 50 ºC Q5 = 0 Kcal/hr°c+(75Kcal/hr°c= 75 Kcal/hr°c = 800Kcal/hr°c T6 = 30 ºC Q6 = 75Kcal/hr°c+ 800Kcal/hr°c = 875 Kcal/hr°c

∆H ∆H ∆H ∆H ∆H

Qc = Cantidad mínima de enfriamiento

Qc = 75 K cal/hr°c Con respecto a las temperaturas or igi iginales nales el punto d e pliegue para la cor riente caliente calient e es 65 ºC ºC y para la co rri rriente ente fría es 50 ºC. ºC.

6) Grafica de corriente de problema de diseño ubicada con respecto al punto de pliegue.

Wcp(KCAL/HR°c) 90°c

C1

50°c

C2

30 30°c

30 30°C

20 20°c

30°c

20°c

9

20°C F1

20 20°c

6

30°C

210°c

50°C

30°c

12

20°c

100°c

F2

30°c

10


      1

UMIN = Numero mínimo de intercambiadores Nc = Numero de corrientes involucradas NS= Numero de servicios c) Para la zona de arriba del punto de pliegue o zona de calentamiento.

  4  1  1  4   4  1  1  4

d) Para la zona abajo del punto de pliegue o zona de enfriamiento. enfriami ento.

Se debe elegir el intercambiador adecuado siempre y cuando se aplique.

 ≥  4-2 3-1

40kcal/hr°C---15Kcal/hr°C 20Kcal/hr°C---20Kcal/hr°C-- -- 10 Kcal/hr°C

7) Generar cascada de calor. Arriba del punto de pliegue Qc1 =10Kcal/hr°c(175-50)°C =1250Kcal_/hr Qc1 = 40Kcal/hr°c (120-65)°c = 5800 Kcal/hr° Qf1 =20Kcal/hr°C (175-30)°C =2900 Kcal/hr

Qf2 =15Kcal/hr°C (130-40)°c = 1350 Kcal/hr 30°c

53,33°c I

C1

I I

C1

50°c

I

30°c

20°C I

27.5°c H

101.67°C

I

82°C

50°C I

I

38°C I

I

Abajo del punto de pliegue Qc1 =10Kcal/hr°c(50-30)°C =200Kcal_/hr Qc1 = 40Kcal/hr°c (65-50)°c = 600 Kcal/hr° Qf1 =20Kcal/hr°C (65-50)°C = 300 Kcal/hr Qf2 =15Kcal/hr°C (65-50)°c = 225 Kcal/hr Corriente 2-4

 °  ∆  10 /ℎº  18º

    80 º 20º  38 º  °  ∆  12 /ℎº  30º     30 º 20º  50 º 1-3

2-4 QF = 800 – 180 = 620 Kcal/hr°c

 ° 6 20   51.67 º ∆  10 /º     51.67 º 50º  101.67 º Red de intercambiador de calor.

I

I

H

F1

F2

30°C

30°C

Solución. 1) Ajuste de la temperatura mínima.

Corriente

Tent, ºF

Tsal, ºF

WCpBtu/hr°F

1

250

120

2

2

200

100

8

3

130

190

12

2) Ordenar mayor a menor la temperaturas ajustadas. Intervalo de T.

T1 = 250

250 600-500

T2 = 210

500-400

T3 = 200

400-410

T4 = 200

410-310

T5 = 140

T Entrada Salida

T

600 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T2 500 ------- T6 450 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T1 590 ------- T4 300 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------T5 400 ------ T3 3) Grafica de las corrientes de acuerdo a su temperatura modifica.

4) Balance Entalpico.

∆       1

∆H  ∆H  ∆H ∆H

= (80)-110(600-500) = -3000 kW =-110(500-460) = -4400 kW = -50(460-410) = -2500 kW = -50(410-310) = -5000 kW

5) Cascada de calor Regla heurística T1 = 600 ºF Q1 = 0 kW = -3000 kW T2 = 500 ºF Q2 = 0 kW - 3000 kW = -3000 kW = -4400 kW T3 = 460 ºF Q3 = -3000kW + (-4400) kW = -7400 kW = -2500 kW T4 = 410 ºF Q4 = -7400 kW +(-2500) kW = -9900 kW = -5000 kW T5 = 310 ºF Q5 = -9900kW + (-5000 kW) = -14900 kW

∆H ∆H ∆H ∆H


Qh = -14900 kW Qc = Cantidad mínima de enfriamiento T1 = 600 ºF = -3000 kW T2 = 500 ºF = -4400 kW T3 = 460 ºF = -25000 kW T4 = 410 ºF = -5000 kW T5 = 310 ºF

∆H ∆H ∆H ∆H

Q1 = -14900 kW Q2 = 14900W +(-3000)kW = 11900 kW Q3 = 11900kW + (-4400)kW = 7500 kW Q4 = 7500 kW + (-2500) kW = 5000 kW Q5 = 5000 kW + (-5000kW) = 0 kW

Qc = 0 kW Con respecto a las temperaturas originales el punto de pliegue para la cor riente caliente es 310 ºf y para la corr iente fría es 300 ºf sigu iendo las reglas heurísticas cuando mi punto de pliegue sea en la última zona se toma el anterior en este caso será 410 para las calientes y p ara las frías 400f

6)

Grafica de corriente de problema de diseño ubicada con respecto al punto de pliegue.


      1

UMIN = Numero mínimo de intercambiadores Nc = Numero de corrientes involucradas NS= Numero de servicios e) Para la zona de arriba del punto de pliegue o zona de calentamiento.

  111  1   311  3

f) Para la zona abajo del punto de pliegue o zona de enfriamiento.

Se debe elegir el intercambiador adecuado siempre y cuando se apli

 ≥  7) Generar cascada de calor. Arriba del punto de pliegue Qh1 =80 Kw/ºF (600-410)ºC = 15200 kW Qc2= 110 kw/ºF (590-400)ºC = 20900 kw Qc3=50 kw/ºF (300-400)ºC = 5000 kw 3y1 Abajo del punto de pliegue Qc1 =80 Kw/ºF(500-410)ºF = 7200 kW Qc2 =110Kw/ºF (450-400)ºF = 5500 kW Qf 1 = 10 kw/ºF(400-400)ºF = 0 kw

Corriente F2-Q1

  190 º ∆  1805200 /º     190410º  600 º Red de intercambiador.

PASO 1: Ajustar las temperaturas de las corrientes frías sumando a cada una de ellas la ∆T mínima, permaneciendo inalteradas las Corrientes calientes CORRIENTE

TENT °C

T SAL °C

H1

1

175

50

H2

2

120

65

C1

3

30

175

50

130

C2

4

PASO 2: Ordenar las temperaturas de mayor a menor TENT (°F) TSAL (°F) 175………………………….T1 50………………….Duplicada 120………………………….T3

65.…………………..T4 30………………………….T6 175……………………Duplicada 50.…………………………..T5 130……………………T2

Pasó 3: Ordenando tenemos lo siguiente Intervalo de Temperatura T1:175 175 - 130 T2:130 130 - 120 T3:120 120 - 65 T4:65 65 - 50 T5:50 50 - 30 T6:30 Paso 4: W=wcp calcular el flujo W1= 10 Kcal/ Hr W2= 40 Kcal/Hr W3= 20 Kcal/Hr W4= 15 Kcal/Hr Paso 5: Graficar las Corrientes (4) de acuerdo a su Temperatura Modificada 175 ……………………………………………………….. ∆H1 130 ………………………………………………………… ∆H2 120 .………………………………………………………….. ∆H3 65 …………………………………………………………… ∆H4 50 …………………………………………………………… ∆H5 30 ….................................................... .......................... 10

40

20

Paso 6: Balance entalpíco ∆H1=((10-20) (175-130)) = -450 Kcal/hr ∆H2=(10-(20+15) x (130-120)) = -250 Kcal/Hr ∆H3=((10+40)-(20+15) x (120-65)) = 825 Kcal/hr ∆H4=(10-(20+15)x (65-50)) = -375 Kcal/Hr ∆H5=(20)x (50-30)) = 400 Kcal/hr

Paso 7: Cascada de calor Regla euristica con Q=0 Por lo tanto Qi+1=Qi+∆Hi Q T1=175°C ……………………………….0

15

∆H= -450 Kcal/Hr T2=130°C ……………………………… -450 Kcal/Hr ∆H= -250 Kcal/Hr T3=120°C……………………………… -700 Kcal/Hr ∆H= 825 Kcal/Hr T4= 65°C…………………………….. 125 Kcal/Hr ∆H= -375 Kcal/Hr T5=50 °C ……………………………… -250 Kcal/Hr ∆H= 400 Kcal/Hr T6=30 °C ……………………………… 150 Kcal/Hr

Al dat o de mayor val or aunq ue teng a sign o (-) se l e co no ce c omo c ant idad mini ma de calentamiento QH Qh= 700 Btu/Hr 7.1 Cantidad minima de enfriamiento (Qc) Regla euristica Qh=Qi

Q T1=175°C ……………………………….700 ∆H= -450 Kcal/Hr T2=130°C ……………………………… 250 Kcal/Hr ∆H= -250 Kcal/Hr T3=120°C……………………………… 0 Kcal/Hr ∆H= 825 Kcal/Hr T4= 65°C…………………………….. 825 Kcal/Hr ∆H= -375 Kcal/Hr T5=50 °C ……………………………… 450 Kcal/Hr ∆H= 400 Kcal/Hr T6=30 °C ……………………………… 850 Kcal/Hr

POR TANTO Qc= 825 Kcal/hr Paso 9: El número mínimo de unidades que se requiere para cada lado de la red se estima con la siguiente ecuación: Umin= Nc + Ns-1 Donde: Umin: Numero de intercambiadores Nc: Numero de corrientes involucradas Ns: Nuero de Servicios a) Para la zona de arriba del punto de quiebre o zona de calentamiento Umin= 4 + 1= 4 b) Para la zona bajo de punto de quiebre o zona de enfriamiento Umin= 2 + 1 – 1 = 2 Paso 10: Carga térmica del primer enfriador

Q=∆T x wcp Q= (10)x(120-65)= 550 Kcal/Hr A) Carga Térmica del segundo enfriador Q2= wcp x ∆T Q2=(40) x (120-65)= 275 Kcal/Hr Paso 11: Por arriba del punto de pliegue se tiene 2 Corrientes Calientes y 2 Corrientes frías por lo tanto existen 2 posibilidades para comenzar el diseño de la red a) 1-4 y 2-3 b) 1-3 y 2-4 Nota: Para elegir el intercambiador adecuado se deben cumplir con el siguiente criterio wcp frías ≥ wcp calientes 1-3 = 20 > 10 2-4 = 40> 15 Paso 12 se genera la cascada de calor Calcular Q= wcp x ∆T para cada una de las corrientes Qc1= (10) (175-30) = 360 Kcl/Hr Qc2= (40) (150-20) = 180 Kcl/Hr Qf1= (20) (20-165) = 2160 Kcal/Hr Qf2= (15) (15-120) = 700 Kcal/Hr

Cascada de calor wcp

175 C C

30°C C

150

20°C

20°F

E

165

20°C 15

50 °C

F1

38

120

F2

10

40 20 15

9.12 Considere las siguientes corrientes de proceso

Corriente T entrada °F T salida °F Wcp10(-4) BTU/Lb 1 250 100 1 2 200 100 0.9 3 110 180 0.8 4 80 200 0.7 5 80 160 0.6 a) Suponiendo una ∆T min = 20°F encuentre los requerimientos mínimos de servicios para la red de intercambiadores de calor, asi como el punto de pliegue para las corrientes calientes y para las corrientes frías

b) ¿Cuál es el número mínimos de unidades para la red? c) Diseñe una red de intercambiadores de calor que consuma la mínima cantidad de servicios y de ser posible que utilice el mínimo número de unidades Respuesta Temperaturas modificadas para las temperaturas calientes

Corriente 1 : Tent = 250 − 20 = 230

Corriente 2 Tent = 200 − 20 = 180 Tsal = 100 − 20 = 80

Tsal = 100 − 20 = 80

Balance de entalpías Formula : ∆ H i = (∑WC p cal −∑WC p frias )(T i − T i+1 ) ∆ H 1 = (230 − 200)(1×104 ) = 30 ×104 ∆ H 2 = (200 −180)(1×104 − 0.7 ×104 ) = 6 ×104 ∆ H 3 = (180 −160)(0.9 ×104 −1.5 ×104 ) = −12 ×104 ∆ H 4 = (160 −110)(0.9 ×104 − 2.1×104 ) = −60 ×104 ∆ H 5 = (110 − 80)(0.9 ×104 −1.3×104 ) = −12 ×104

Cascada de calor 0------------------------ 48 ×104

Qc

4

30 ×10 -------------36 ×10 4 ---------------24 ×10 4 --------------36 ×10 4 -------------48 ×10 4 -------------

78 ×104 84 ×104 72 ×104 16 ×104 0

Qh

PINCH

Cantidad mínima de calentamiento =48 ×104 Cantidad mínima de enfriamiento =16 ×104 Punto de pliegue para las temperatura frias 80 y 100 para las temperaturas calientes Inciso C= U min = Nc + Ns −1 U min = 5 + 1 −1 = 5 arriba del pinch

La cantidad de calentamiento que se necesita es = 8.4 ×104 La cantidad de enfriamiento que se necesita es = 36.4 ×104

9.13 Se tienen las siguientes corrientes en un proceso, las cuales requieren de cambiosenergeticos de

acuerdo a la informacion proporcionada en la tabla. Corriente Tent,ºC

Tsal,ºC

WCp, kcal/hrºC

h1 h2 h3 C1 C2

40 50 30 200 120

8 6 4 7 10

130 130 120 30 30

Si se usa una ∆T min = 10º C , utilice el metodo del punto de pliegue para diseñar una red de intercambiadores de calor. Reporte lo siguiente: a) Los requerimientos minimos de servicios y el punto de pliegue para cada una de las corrientes calientes y para las corrientes frias. b) Una red de intercambiadores de calor que consuma la minima cantidad de servicios. Use la representacion de rejilla para representar su red y reporte claramente las temperaturas de cada intercambiador y las cargas termicas de enfriadores y calentadores. Corriente Tent,ºC

C1 C2 C3 F1 F2

130 130 120 30 30

Temperatura original

130 130

40 50

Tsal,ºC

40 50 30 200 120

WCp, kcal/hrºC Q, kcal/hr

8 6 4 7 10

Temperatura ajustada

120 120

30 40

720 480 360 1190 900

Orden

T2 T5 T2 T4

120

30

30

200

30

110

20

30

200

30

120

120

T3 T6 T5 T1 T5 T2 ∆T

200 120 110 40 30 20

80 10 70 10 10 ∆H1= ∆H2= ∆H3= ∆H4=

Cascada de calor: 0 -560 -560 -590 -30 -520 70 -50 -570 -530 40

U min

U min

=

∆H5=

U c +U s −1

= 5 + 2 −1 = 6

590 30 0 70 20 60

(0-7)(80)= (14-17)(10)= (18-17)(70)= (12-17)(10)= (4-0)(10)= Qh Pinch Qc

-560 kcal/hr

-30 kcal/hr 70 kcal/hr -50 kcal/hr 40 kcal/hr

C2-F2

QC2= QF2=

480 900

∆T=Q/WCp ∆TF2=

48 48+30=78

TSF2= QC2=0 QF2=(900-480)=420

C1-F2

QC1= QF2=

720 420

∆T=Q/WCp ∆TC1= 52.5

F2 78

QF2=0 QC1=(720-420)=300 C1-F1

QC1= QF1=

300 1190

∆T=Q/WCp ∆TF1= 42.8571429

F1 30

QC1=0 QF1=(1190-300=890

C3-F1

QC1= QF1=

∆T=Q/WCp ∆TF1=

(120-82.85)X4= 148.6 890 21.2285714 94.0785714

TSF1= QC1=0 QF1=(890-148,6)=741.4

Enfriador-C3

Qenfriador=360-148.6=211.4 Calentador-F1

Qcal=741

Solucion. 8) Ajuste de la temperatura mínima.

Corriente

Tent, ºF

Tsal, ºF

Cp BTU/Lb °F

h1

90

20

8

h2

70

20

10

c1

20

70

5

C2

20

90

8

C3

20

110

4

9) Ordenar mayor a menor la temperaturas ajustadas.

T1 = 110 T2 = 90 T3 = 70

250 - 220 110

90 70

Intervalo de T

110-90 90-70

T4 = 20 T5 = 20

20

70-20

20

20-20

T Entrada Salida

T

90 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T1 20 70 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T3 70 20 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- T4 110 20 -------------------------------------------------------------------------------------------------duplicada

10) Balance Entalpico.

∆       1 ∆H ∆H ∆H ∆H

= (9500-9000) (250-200) = 15000 Btu/hr = (9500-(1000+9000))*(220-180) = -380000 Btu/hr = (9500+8400-(10000+9000))*(180-130) = -55000 Btu/hr = (9500+8400) (130-100) = 537,000 Btu/hr

11) Cascada de calor Regla heurística T1 = 250 ºF Q1 = 0 Btu/hr = 15000 Btu/hr T2 = 220 ºF Q2 = 0 Btu/hr + 15,000 Btu/hr = 15000 Btu/hr = -380,000 BTU/Hr T3 = 180 ºF Q3 = 15000 Btu/hr+ (-380,000 Btu/hr) = -365,000 Btu/hr = -55,000 Btu/hr T4 = 130 ºF Q4 =-365,000 Btu/hr + (-55,000Btu/hr) = -420,000 Btu/hr = 537,000 Btu/hr T5 = 100 ºF Q5 = -420,000 Btu/hr + 537,000 Btu/hr = 117,000 Btu/hr

∆H ∆H ∆H ∆H


Qh = -420,000 Btu/hr Qc = Cantidad mínima de enfriamiento

T1 = 250 ºF Q1 = 420,000 Btu/hr = 150,000 Btu/hr T2 = 220 ºF Q2 = 420,000 + 15,000 = 435,000 Btu/hr = -380,000 Btu/hr T3 = 180 ºF Q3 = 435,000 – 380,000 = 55,000 Btu/hr = -55000 Btu/hr

∆H ∆H ∆H

T4 = 130 ºF Q4 = 55,000 – 55,000 = 0 Btu/hr =537,000 Btu/hr T5 = 100 ºF Q5 = 0 + 537,000 = 537,000 Btu/hr

∆H

Qc = 537,000 Btu/hr Con respecto a las temperaturas or iginales el punto d e pliegue para la cor riente caliente es 130ºF y para la c orriente fría es 110 ºF. 12) Grafica de corriente de problema de diseño ubicada con respecto al punto de pliegue.


      1 UMIN = Número mínimo de intercambiadores Nc = Número de corrientes involucradas NS= Número de servicios

g) Para la zona de arriba del punto de pliegue o zona de calentamiento.

  411  4

h) Para la zona abajo del punto de pliegue o zona de enfriamiento.

  211  2

Tenemos dos corrientes calientes por lo tanto cálculo y verifico lo siguiente. Carga térmica (Q) del primer enfriador Q1= Wcp *

∆T

= (9,500)*(130-100) = 285,000 Btu/hr

Carga térmica (Q) del segundo enfriador Q1= Wcp *

∆T

= (8400)*(130-100) = 252,000 Btu/hr

Q1 + Q2 = Consumo mínimo de enfriamiento. Se debe elegir el intercambiador adecuado siempre y cuando se aplique el criterio siguiente.

 ≥  Por arriba del punto de pliegue se tienen dos corrientes calientes y frías, por lo tanto tenemos dos posibilidades para comenzar el diseño de red. A) 1-4 y 2-3 B) 1-3 y 2-4

✔

13) Generar cascada de calor. Cálculo del calor para cada una de las corrientes: QC1 =9500Btu/hr (250-130)ºF = 1,140,000 Btu/hr QC2= 8400 Btu/hr* (180-130) °F = 420,000 Btu/hr QF1 = 10,000 Btu/hr(200-110)°F = 900,000 Btu/hr QF2 = 9,000 Btu/hr*(230-110) °F= 1,080,000 Btu/hr

- Arriba del punto de pliegue QC1 = 9500Btu/hr (250-130)ºF = 1,140,000 Btu/hr QF1 = 10,000 Btu/hr(200-110)°F = 900,000 Btu/hr Corriente C1-F1= 240,000 Btu/hr

∆  240,9,500000/ℎ  25.26º °  1  250° 25.26º  224.13 º  225° - Abajo del punto de pliegue QC2= 8400 Btu/hr (180-130) °F= 420,000 Btu/hr QF4= 9,000 Btu/hr (230-110) °F=1,080,000 Btu/hr QF=1, 080,000-420,000= 660,000 Btu/hr

∆í  240,9,000000/ℎ  46.66º °        110° 156.66°  157° C1-F2 Q1=240,000 Btu/hr QF=660,000 Btu/hr

, ∆  9,000   26.66 

  157° 26.66°  183.66°  184° Como ya no existen corrientes calientes disponibles se ajusta la temperatura de la corriente 4 hasta su nivel mediante el servicio de calentamiento. Por lo tanto la cantidad de calentamiento requerida es de Qh= 420,000 Btu/hr.Red de intercambiador.

9.17 Las siguientes corrientes son parte de un proceso petroquímico

Corriente

T ent, °C

T sal, °C

WCp, kW/°C

h1 750 350 45 h2 550 250 40 c1 300 900 43 c2 200 550 20 Se desea diseñar una red de intercambiadores de calor usando una ∆Tmin de 10°C. Use el m étodo del punto de pliegue para diseñar una red con el mínimo consumo de servicios corriente

T ent, °C

T sal, °C

WCp, kW/°C

C1 C2 F1 F2

750 550 300 200

350 250 900 550

45 40 43 20

Q WCp∆T=W

18000000 12000000 25800000 7000000

Ajuste de temperaturas: T original

750 550 300 200

T ajustada

350 250 900 550

740 540 300 200

Orden

340 240 900 550

T2 T5 T4 T7 T6 T1 T8 T3

=

DTs 900 740

16 C1

0

550

19

540

C2

0

340

10

300

F1

20

240

0

200

∆H1= ∆H2= ∆H3= ∆H4= ∆H5= ∆H6= ∆H7=

F2

(-43000)(160) = (45000-43000)(190) = (45000-43000-20000)(10) = (45000+40000-43000-20000)(200) = (40000-43000-20000)(40) = (40000-20000)(60) = (-20000)(40) =

-6880000

380000 -180000 4400000 -920000 1200000 -800000

Cascada de Calor: -6880000 380000 -180000 4400000 -920000 1200000 -800000

0 -6880000 -6500000 -6680000 -2280000 -3200000 -2000000 -2800000

6880000 0 380000 200000 4600000 3680000 4880000 4080000

Qh Pinch

Qc

40

C1 con F1

Q1 =

18000000

∆T = Q / WCp

TsF1 =

418.604651 °C 300 + 418.60 =718.604651

QC1 = 0 QF1 =

25800000 - 18000000 =7800000 W

∆TF1 =

Calentador 1 con F1

QF1 =

25800000 - 18000000 =7800000

C2 con F2 Q2 = 7000000 W ∆T = Q / WCp 175°C ∆TC2 = TsC2 = 550 - 175 =375°C

TsF2 esperada =

540 °C

TsF2 = TentF2 + ∆TF2 ∆TF2 = TsF2 - TentF2 = 540 - 200 =340°C

Q2 = (20000)(340) =

6800000W

Enfriador 1 con C2

QC2 =

(380-250)(20000) =5200000W

Calentador 2 con F2

QF2 =

(550 - 540)(20) =200000 W

9.24 Cuatro corrientes quieren aprovecharse para integrar energía. La siguiente tabla proporciona los datos del problema (Ciric y Floudas, Computers Chem, Engn., 14, 3, 241-250, 1990) CORRIENTE

T ent °K

T sal °K

WCp kw/ °k

H1 95 75 5 H2 80 75 50 C1 30 90 10 C2 60 70 12.5 Suponga una de 30°K y dis eñe una red de interc ambiadores de calor con el minimo consum o de servicio.

∆

1) TEMPERATURAS MODIFICADAS Corriente 1:

  9530  65   7530  45

CORRIENTES 1

Corriente 2:

  8030  50   7530  45

TEMPERATURAS MODIFICADAS TEMP. ORIGINAL TEMP AJUSTADA 95 65 75 45

ORDEN T3 T6

80

2

75 30

3

90 60

4

70

50 45 30 90 60

T5 Duplicada T7 T1 T4

70

T2

90 70 65 60 50 45 30

5kw/°

50kw/°k

10kw/°k

12.5kw/°

2) BAL ANCE DE ENTALPIA 90-70 70-65 65-60 60-50 50-45 45-30

∆  ∑∆ ∑   +   

∆   . ∆ ∆ .    ∆  () ∆  

=200 =-112.5 =-87.5 =-50 =225 =-150

3) CASCADA DE CALOR Q 1 = 0 EVALUAR:

T= 90 T=70 T=65 T=60

  1    △  Q1

 =  = .  ..

Q1= 0

 =.  =   

T=50 T=45 T=30

         

        

10.1 Zamore y Grossmann (Computers Chem, Engng.,21, Suppl., $65-$70, 1997) usaron u n algoritm o d e optimizacion glo bal para resolver el sigu iente problema: CORRIENTE H1 H2 C1 C2 AGUA VAPOR

T ent °C 180 240 40 120 25 325

T sal, °C 75 60 230 300 40 325

WCp, kW/°C 30 40 35 20

H, kW/m 2°C 0.15 0.10 0.20 0.10 0.50 2.00

Costos de intercambiador es y enfriadores ($/año)=15,000 + 30 A 0.8, A en m 2 Costos de calentadores ($/año)= 15,000 + 60 A 0.8, A en m 2 Costos de agua de enfriamiento = 10 $/kW año Costos de vapor de calentamiento = 110 $/kW año a) Diseñe una red de intercambiadores de calor con minim o consu mo de energia usando un valor de ΔT min entre 5 y 10 °C. Compare el costo con el optimo reportado p or Zamora y Goss mann de 419.98 x 103 $/año.

b) Realice una preooptimizacion de ΔT min usando la formula Bath para la prediccion del area requerida. Compare el valor optimo predicho de ΔTmin con el usado en la part e (a). c) Diseñe la red al valor obtenido en el inciso (b) y compare el resultado con el optimo repostado.

1) TEMPERATURA AJUSTA TEMPERATURAS MODIFICADAS CORRIENTES TEMPERATURA TEMP. ORIGINAL AJUSTADA 1 180 175 75 70 2 240 235 60 55 3 40 40 230 230 4 120 120 300 300

30 23

ODEN T4 T6 T2 T7 T8 T3 T5 T1

∆

∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

23 17 12 70 55 40

30kw/°

40kw/°

35kw/°

20kw/°

B) BALANCE DE ENTALPIA

∆  ∑  ∑   + TEMPERATURA 300-235 =-1300 ∆    235-230 =100 ∆    230-175 ∆  ( )(230-175) =-825 175-120 =825 ∆   ()(175120) 120-70 ∆  ( )(120-70) =1750 70-55 =75 ∆    55-40 =-525 ∆   C) CASCADA DE CALOR

Q 1 = 0 EVALUAR:

  1    △  BTU/HR

T= 300 T=235 T=230 T=175 T=120 T=70 T=55 T=40

Q1

 =  =             

Q1= 0

=   =               

BTU/HR T= 300 T=235 T=230 T=175 T=120 T=70 T=55 T=40

QH

=   =              PINCH = 825

QH= 2025

= =              

                ∆° C1-F1   ° /   ° / = Q/ WCp C1

40

ΔT ΔTF2 = 90

24

23

13

ΔT = Q/ WCp ΔTC1 = 87.7

152.

TSC2 = 152.5 QF1= 0 QC2= 3700

ΔT = Q/ WCp ΔTC1 = 13.75

TSC2 = 138.75 QF1= 0 QC2= 3150

23

C2

   ∆° C2-F1   ° /   

   ∆° C2-F2    /   .    .

18

75

TFS2 = 40+90 =130 QC1= 0 QF1 = 3500

F1

F1

C2 152.5

F2

12

147.5

138. 75

            

     40

25 138. 75

60 325

RED DE INTERCAMBIO

300

147.5 325

10.2. Zamora Zamora y Gross mann, usando un modelo de pr ogramacion mix ta-entera ta-entera no li neal, neal, reportan la siguiente estructuta optima para el problema anterior anterior

a) Compare esta estru estru ctura ctu ra con la sol ucion ucio n obtenida obt enida del prob lema 10. 10.1. 1. b) Trate de reportar u n analisis de la topolo gia opti ma de la red. ¿Cómo ¿Cómo s e ve influenciada esta esta estruc estruc tura optima dado al modelo economic o usado?

PARA A) Se observa que algunas ΔT en esta red son menores menor es de 5°C que es el mínim o

especificado en el anterior problema. En la red de Zamora se encuentran 4 intercambiadores, un calentador y un enfriador, en la red que se elaboró solo diferencia en el número de interc ambiador es, en el cual, el prob lema 10.1 10.1 son 3 interc ambiador PARA B ) RED DE INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADORES EQUIPO Interc ambiador ambi ador 1 Interc ambiador ambi ador 2 Interc ambiador ambi ador 3 Interc ambiador ambi ador 4 Calentado Calent adorr Enfriado Enfr iadoss

AREA M2 1710.3 1710.3 1503.71 1503.71 1515.13 1515.13 11556.6 11556.6 334.02 242.07 242.07 TOTA TOTAL= L=

COSTO DE EQUIPO 26576.5 26576.5 25443.7 25443.7 25507.1 25507.1 68413.7 68413.7 21268.6 17422.6 17422.6 184, 184,63 632 2 $/A $/A O

CORRIENTE CORRIENTE H1 H2 C1 C2 AGUA VAPOR

T ent °C 180 240 40 120 25 325

T sal sal,, °C 75 60 230 300 40 325

WCp, kW/°C 30 40 35 20

   ∆°                          EQUIPO INTERCANVIADOR 1

U 0.06667

Q, kW 3150 7200 6650 3600 ΔT1

ΔT1= 240-230

= 10

INTERCAMBIADOR 2 INTERCAMBIADOR 3 INTERCAMBIADOR 4 CALENTADOR

0.05

0.09524

ENFRIADOR

0.11538

0.06 0.06667

∆   ∆∆ ∆∆  ∆ =..−  = 12.33   .  −.     ..  = 7.30595   .−... = 12.0651   −.. = 6.79432  = 73.5107   −.  .

H, kW/m 2°C 0.15 0.10 0.20 0.10 0.50 2.00

   . .     . .     . .    .   

ΔT2

    ..  . . .     . .  .  .  .    . .      . .           . 50

Q = A*U*DMLT

  ..   ∗  ..  ∗ . .    . .   .. ∗  ∗  .. ∗  ∗ . .   ..     .. ∗  ∗ .  ∗ .  1096.81   . .  ∗  . . ∗ . .   ..    . .  ∗ . .∗∗ . .     . .

  ..−   . = 

  .∗.∗.  .

 .∗  . $/Ñ COSTO DE VAPOR DE CAL ENTAMIENTO  . ∗  ,   $/Ñ COSTO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO

COA= costo fi jo + costo variable = 459,015 $/año

Se encuentra una gran diferencia de costos por año en ambas redes la mas economica es la de Zamora.

10.10. El siguiente conjunto de 5 corrientes calientes y 4 corrientes frias constit uyen parte de un proceso quimic o. CORRIENTE H1 H2 H3 H4 H5 C1 C2 C3 C4 Vapor Agua

T ent, °C 120 80 135 220 135 65 75 30 60 250 15

T sal, °C 65 50 110 95 105 90 200 210 140 250 16

WCp, kW/°C 25 150 145 10 130 75 70 50 25

H, kW/m 2°C 0.50 0.25 0.30 0.18 0.25 0.27 0.25 0.15 0.45 0.35 0.20

Costo de intercamb iadores = 30,800 + 750 A0.8 (A<550 m2), A en M2 Vida de la planta= 6 año Costo d e vapor = 110 S/kW año Costo de agu a = 10 S/kW año a) Usando un valor de ΔT min de 10°C, obtegan la predicion de area y energia para una red de intercambio de calor, indique cual es el pronos tico d el costo anual de la red. b) Diseñe una red de intercambiadores y compare la prediccion de area con el valor obtenido despues del diseño. Reporte el costo anual del diseño.

TEMPERATURAS MODIFICADAS CORRI TEMP. TEMP ORDEN ENTES ORIGINAL AJUSTADA 1 120 110 T5 65 55 T14 2 80 70 T11 50 40 T15 3 125 125 T4 110 100 T6 4 210 210 T1 95 85 T9 5 135 125 DUPLICADA 105 95 T7 6 65 65 T12 90 90 T8 7 75 75 T10 200 200 T2 8 30 30 T16 210 210 DUPLICADA 9 60 60 T13 140 140 T3

   ∆° 1375 4500 3625 1250 3900 1875 8750 9000 2000

21 20 14 12

C3

11 10 95 90

C4 C1

C5 F3 F2

85 75 70 65 60 55

F1

C2

40 30 25kw/°

150kw/°

145kw/° 10kw/°

130kw/° 75kw/°

70kw/°

50kw/°

CALCULO DE ENTALPIA

210-200 200-140 140-125 125-110 110-100 100-95 95-90 90-85 85-75 75-70 70-65 65-60 60-55 55-40 40-30

∆  ∑TEMPERATURA  ∑  + ∆    ∆   (140∆  ( ) 125) ∆  (  )(125-110) ∆  ( )) ∆  (  )  ) ∆  (  ∆  (  ) ∆     ∆   ∆  ( ) ∆  ()  ∆  () ∆∆    

=-400 =- 6600 = - 2025 = - 2100 = 1650 = 100 = -550 = -925 = -1950 = -625 = 125 = 500 = 625 = 1500 = - 500

25kw/°

CASCADA DE CALOR BTU/HR

T= 210 T=200 T=140 T=125 T=110 T=100 T=95 T=90 T=85 T=75 T=70 T=65 T=60 T=55 T=40 T=30

 = =                                        

= =                                     

AL DESCENDENTE SE LE SUMAN 10°C Y OBTENEMOS INTERVALOS FRIOS INTERVALOS DE LAS CORRIENTES CALIENTES

T 220 210 150 135 120 110 105 100 95 85 80 75 70 65 50 40

INTERVALOS (50-40) (65-50) (70-65) (75-70) (80-75) (85-80) (95-85) (100-95) (105-100) (110-105) (120-110) (135-120) (150-135) (210-150) (220-210)

T 210 200 140 125 110 100 95 90 85 75 70 65 60 55 40 30

QN

PINCH (70°

QC

INTERVALOS (40-30) (55-40) (60-55) (65-60) (70-65) (75-70) (85-75) (90-85) (95-90) (100-95) (110-100) (125-110) (140-125) (200-140) (210-200)

PARA CORRIENTES CALIENTES

(50-40) (65-50) (70-65) (75-70) (80-75) (85-80) (95-85) (100-95) (105-100) (110-105) (120-110) (135-120) (150-135) (210-150) (220-210)

∆  ∑TEMPERATURA  ∑  + ∆    ∆    ∆   (70-65) ∆   (75-70)  ∆∆        ∆   ∆  () ∆   ∆  ()  ∆     ∆ ∆     ∆    ∆  

=0 = 2250 = 875 = 875 = 875 = 125 = 250 = 175 = 175 = 825 = 3100 = 4275 = 150 = 600 = 100

PARA CORRIENTES FRIAS

(40-30) (55-40) (60-55) (65-60) (70-65) (75-70) (85-75) (90-85) (95-90) (100-95) (110-100) (125-110) (140-125) (200-140) (210-200)

∆  ∑TEMPERATURA  ∑  + ∆    ∆   ∆   (60-55) ∆   (65-60) ∆    ∆    ∆   ∆  () ∆   ∆  () ∆    ∆    ∆∆     ∆   

= 500 = 750 = 250 = 375 = 750 = 750 = 2200 = 1100 = 725 = 725 = 1450 = 2175 = 2175 = 7500 = 500

Para cor rientes Calientes T 40 50 65 70 75 80 85 95 100 105 110 120 135 150 210 220

H 0 0 2250 3125 4000 4875 5000 5250 5425 5600 6425 9525 13800 13950 14550 14650

Para corrientes frias: T

H

30 40 55 60 65 70 75 85 90 95 100 10 125 140 200 210

0 500 1250 1500 1875 2625 3375 5575 6675 7400 8125 9575 11750 13925 21125 21625

H modificada 2250 2750 3500 3750 4125 4875 5625 7825 8925 9650 10375 11825 14000 16175 23375 23875

AREA

  . ∗     . ∗  .   .   .   . ∗  . .         .    ∗   . . . . .       .   . ∗  . . . .           .   . ∗  . . . . . .         .   . ∗  . . . . .

        .   . ∗  . . . . .       .   . ∗  . . . .       .   . ∗  . . . .     .   . ∗  . . .   .   . ∗  . . Costo de intercamb iadores = 30,800 + 750 A0.8 (A<550 m2), A en M2 Vida de la planta= 6 año Costo d e vapor = 110 S/kW año Costo de agu a = 10 S/kW año COSTO Ent 1 2 3 4 5 6 Cal 1 Cal 2 Cal 3

97040.911 591454.72 1144108.7098 610181.5224 602413.536 868832.129 453771.0831 203976.612 294236.943 273703.91 $5,139,719.205

$  ,. ñ ENFRIADORES

$ ∗   $/ñ ñ  $ ∗ 154000 $/AÑO ñ

$ ∗   $/ñ ñ $ ∗   $/ñ ñ

SOLUCION: 1) SUMANDO 10°C A LAS CORRIENTES FRIAS CORRIENTE 1 C1 2 C2 3 F1 4 F2

TENT(°C) 150 250 90 75

TSAL (°C) 75 80 150 280

2) ORDENAR LAS TEMPERATURAS DE MAYOR A MENOR TENT(°C) 250

TSAL (°C) T2 T5 TD T6 T4 T3 TD T1

80 150 75 90 150 75 280 3) INTERVALOS DE T TEMPERATURAS T1=280 T2=250 T3=150 T4=90 T5=80 T6=75

INTERVALOS DE T 280-250 250-150 150-90 90-80 80-75

4) VALORES DE W CORRIENTE 1 2 3 4

5) CALCULO DE ENTALPIA

W (Kw/°C) 100 50 70 40

6) BAL ANCE ENTALPICO

∆         ∆         ∆     ∆  [(  )]       ∆∆  [(  )  ]       

7) CASCADA DE CALOR REGLA HEURISTICA Q=0 ECUACION:

 1   ∆

T1-280°C ΔH1=-1220 kW T2-250°C ΔH2=1000 kW T3-150°C ΔH3=2400 kW T4-90 ΔH4=1100kW T5-80

1  0 2  0122  1220 3  1220 1000  220 4  2202400  2180

ΔH5=300 kW T6-75

8) VALOR DE QH

5  21801100  3280  6  3280 300  3580 

QH= CANTIDAD MINIMA DE CALENTAMIENTO (SE TOMA EL VALOR MAS ALTO)

    9) CALCULO DEL PUNTO DE PLIGUE Y QC  1   ∆ 1  3580 2  3580 122  2360 3  23601000  3360 4  33602400  5760  5  57601100  6860  6  6860 300  7160 

T1-280°C ΔH1=-1220 kW T2-250°C ΔH2=1000 kW T3-150°C ΔH3=2400 kW T4-90 ΔH4=1100kW T5-80 ΔH5=300 kW T6-75

RESULTADO: El valor de punto de pliegue no se encuentra con los valores de temperatura que se están trabajando.

SOLUCION: 1) SUMANDO 10°C A LAS CORRIENTES FRIAS CORRIENTE 1 C1 2 C2 3 F1 4 F2

TENT(°C) 750 550 300 200

TSAL (°C) 350 250 900 550

2) ORDENAR LAS TEMPERATURAS DE MAYOR A MENOR TENT(°C) 750

TSAL (°C) 350

550 250 300 900 200 550

T2 T4 TD T6 T5 T1 T7 T3

3) INTERVALOS DE T TEMPERATURAS T1=900 T2=750 T3=550 T4=350 T5=300 T6=250 T7=200

INTERVALOS DE T 900-750 750-550 550-350 350-300 300-250 250-200

4) VALORES DE W CORRIENTE 1 2 3 4

W (Kw/°C) 45 40 43 20

5) CALCULO DE ENTALPIA

6) BAL ANCE ENTALPICO

∆         ∆         ∆     ∆  [(  )]   

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 1   ∆

T1-900°C ΔH1=-6450 kW T2-750°C ΔH2=400kW T3-550°C ΔH3=4400 kW T4-350 ΔH4=-1150kW

T5-300 ΔH5=1000 kW T6-250 ΔH6=-1000 kW

T7-200

1  0 2  06450  6450 3  6450 400  6050 4  60504400  1650  5  16501150  2800  6  28001000  1800  7  18001000  2800 

8) VALOR DE QH QH= CANTIDAD MINIMA DE CALENTAMIENTO (SE TOMA EL VALOR MAS ALTO)

    9) CALCULO DEL PUNTO DE PLIGUE Y QC  1   ∆ 1  6450 2  64506450  0 3  0400  400

T1-900°C ΔH1=-6450 kW T2-750°C ΔH2=400kW

T3-550°C ΔH3=4400 kW

T4-350 ΔH4=-1150kW

Equipo 1- Sistema de Cogeneracion.pdf

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