Diseño e Ingeniería de Procesos Redes de intercambio de calor [Método heurístico] Ing. Martín Rivera Toledo
1. Introducción
El diagrama de “la cebolla” representa la importancia jerárquica en el diseño de procesos químicos
¿Cuál es el beneficio de considerar la integración térmica?
Contenido
Para el diseño de redes de intercambio de calor es necesario determinar 1.1 El consumo mínimo de servicios de calentamiento y enfriamiento 1.1.1 Análisis de primera ley de la termodinámica 1.1.2 Intervalos de temperatura 1.1.3 Diagrama de cascada 1.1.4 Temperatura del punto de pliegue 1.1.5 Diagrama temperatura vs entalpía 1.2 El número mínimo de cambiadores de calor 1.3 El área de transferencia de calor para los equipos 2. Procedimiento
Ejemplo Se tienen dos corrientes calientes que necesitan ser enfriadas y dos corrientes frías que requieren ser calentadas, el conjunto de propiedades de dichas corrientes se encuentran en la tabla 1.
2.1.2. Intervalos de temperatura
Para determinar la serie de intervalos a considerar se deberán: i. ordenar de mayor a menor valor la serie de temperaturas de las corrientes calientes y frías Calientes: Frías:
250 190
200 150
120 130
100 90
ii. sumar y restar el valor del acercamiento mínimo a las temperaturas de las corrientes frías y calientes, respectivamente Calientes - ∆Tmin: Frías + ∆Tmin:
240 200
190 160
110 140
90 100
iii. ordenar de mayor a menor las serie como sigue: Calientes & Frías + ∆Tmin: Frías & Calientes - ∆Tmin:
250 240
200 190
200 190
160 150
140 130
120 110
100 90
100 90
iv. eliminar aquellos conjuntos redundantes de temperaturas, por lo que solo quedan los intervalos siguientes
Tcalientes [°F]
250
200
160
140
120
100
Diagrama de cascada
¿cómo se calculan el consumo mínimo de servicios?
Sugerencia: identifique el remanente más grande negativo y adiciónelo como servicio de calentamiento
2.1.5 Diagrama temperatura vs entalpía
Calculo de balance de energía paral as corrientes calientes y frías para el trazo de las curvas compuestas caliente y fría
Corrientes calientes T = 100 °F T = 120 °F T = 140 °F T = 160 °F T = 200 °F T = 250 °F
Corrientes frías T = 90 °F T = 130 °F T = 150 °F T = 190 °F
Energía por intervalo [BTU/h]
Energía acumulada [BTU/h]
H0 = 0 H1 = 4,000(120-100)=80,000 H2 = (1,000+4,000)(140-120)=100,000 H3 = (1,000+4,000) (160-120)=100,000 H4 = (1,000+4,000) (200-160)=200,000 H5 = 1,000(250-200)=50,000
Energía por intervalo [BTU/h] H0 = 60,000 H1 = 3,000(130-90)=120,000 H2 = (3,000+6,000)(150-130)=180,000 H3 = 6000 (190-150)=240,000
0 80,000 180,000 280,000 480,000 530,000
Energía acumulada [BTU/h] 60,000 180,000 360,000 600,000
Estimación de áreas de transferencia por medio del diagrama de T vs H
Am =
Qm U m ∆T ml
∆T ml =
∆T 1 − ∆T 2
ln
U m =
∆T 1 ∆T 2
1 1 hi
Ejercicios
+
1 hj
Coeficiente global de transferencia de calor Userviciocalentamiento = 0.3505 kW/m2 K Uservicioenfriamiento = 0.2629 kW/m2 K Uproceso-proceso = 0.2629 kW/m2 K Costo de los cambiadores de calor:
Cp
1456.3 A
0.6
Tiempo de operación: 8500 hr/año
2
($, m ) Rapidez de retorno = 0.1
3. Determinación de la red de intercambio de calor (HEN)
Número de unidades = Número de corrientes + Número de servicios –1 Combinaciones factibles: arriba del punto de pliegue: F H Cp H ≤ F C CpC abajo del punto de pliegue: F Cp ≥ F Cp
4. Diseño de la red de intercambio de calor
6. Reducción del número de cambiadores de calor
Reglas heurísticas 1. Romper el ciclo que incluya el cambiador de calor con la carga térmica más baja 2. Siempre remueva la carga térmica más baja de un ciclo 3. Si rompemos un ciclo que cruza el punto de pliegue, normalmente violamos el acercamiento mínimo de
Para la modificación de la carga a lo largo de la trayectoria se recomienda: 1. transferir el calor cruzando el punto de pliegue (+Qentra, +Qsale) 2. Restaurar el acercamiento mínimo
Se selecciona romper el ciclo con el cambiador de calor con la carga más baja ( Q = 20 MBTU/h )
uso de la trayectoria para restaurar el acercamiento mínimo
Revisión de la red
Segunda ruptura de ciclo
