analisis energetico

ANÁLISIS ENERGETICO

2012

ARNOLD PADILLA BURGOS UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO 01/12/2012

UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO ARNOLD PADILLA BURGOS

ANALISIS ENERGETICO

Por: ARNOLD PADILLA BURGOS

Presentado al Ing. MELANIO CORONADO

Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Química Universidad del Atlántico Barranquilla - Colombia 2012

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1 Tabla de contenido 1.

CONCEPTOS ............................................................................................................................. 3

1.1

INTEGRACIÓN DE CALOR ......................................................................................................... 3

1.2

Definición de la tecnología “Pinch” ..................................................................................... 3

1.3

Principios del Análisis “Pinch” ............................................................................................. 4

1.4 Objetivos del Análisis “Pinch” .................................................................................................. 5 1.5 Requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento .................................................... 5 1.5.1 Construcción de Curvas compuestas ................................................................................. 6 1.5.2 El punto pinch..................................................................................................................... 7 1.5.3 Algoritmo de la tabla problema ......................................................................................... 9 1.5.4 Gran curva compuesta ..................................................................................................... 11 1.6 Mínimo numero de intercambiadores .................................................................................... 12 1.8 Integración de columnas de destilación .............................................................................. 15 2

ANALISIS ENERGETICO A LA PRÁCTICA NO. 1 (DESTILACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS). ........... 20

3

ANALISIS ENERGETICO A LA PRÁCTICA NO. 9 (DESTILACIÓN REACTIVA). ................................ 38

4

Conclusión ................................................................................................................................. 47

5

Bibliografías. .............................................................................................................................. 48

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1. CONCEPTOS

1.1

INTEGRACIÓN DE CALOR

La mayoría de los procesos industriales involucran la transferencia de calor ya sea de una corriente de proceso a otra corriente de proceso o de una corriente de servicio auxiliar a una corriente de proceso. Actualmente, las crisis energéticas alrededor del mundo han llevado a buscar en cualquier diseño de proceso industrial la maximización de la recuperación de calor dentro del mismo proceso y a la minimización de servicios auxiliares. Para lograr el objetivo de recuperación máxima de energía o de requerimiento mínimo de energía se requiere de una red de intercambio de calor apropiada. El diseño de una red de esta naturaleza no es una tarea fácil si se considera el hecho de que la mayoría de los procesos involucran un gran número de corrientes y de servicios auxiliares. El diseño tradicional ha tenido como resultado redes con altos costos fijos y de servicios auxiliares. Con la ayuda de los conceptos del análisis “pinch”, el diseño de redes se ha vuelto muy sistemático y metódico.

1.2

Definición de la tecnología “Pinch”

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El término de tecnología “pinch” fue introducido por Linnhoff y Vredeveld para representar un conjunto nuevo de métodos termodinámicos que garantizan un nivel de energía mínimo en el diseño de redes de intercambiadores de calor. El término de “análisis pinch” se utiliza para representar la aplicación de las herramientas y de los algoritmos de la tecnología “pinch” para estudiar procesos industriales.

1.3

Principios del Análisis “Pinch”

La tecnología “pinch” presenta una metodología simple para el análisis sistemático de los procesos químicos y de los servicios auxiliares con la ayuda de la primera y segunda ley de la termodinámica. Con la ecuación de energía de la primera ley de la termodinámica se calculan los cambios de entalpia en las corrientes que pasan por los intercambiadores de calor. La segunda ley determina la dirección del flujo de calor, es decir, el calor solo puede fluir en la dirección de caliente a frio. En un intercambiador de calor, una corriente caliente no puede ser enfriada por debajo de la temperatura de entrada de la corriente fría, como tampoco una corriente fría puede calentarse por arriba de la temperatura de entrada de la corriente caliente. En la practica una corriente caliente solo puede será enfriada a una temperatura definida por el acercamiento mínimo de temperaturas del intercambiador. El acercamiento mínimo de temperaturas es la mínima diferencia permitida (∆Tmin) en los perfiles de temperatura de las corrientes para el intercambiador de calor. El nivel de temperatura en el cual ∆Tmin se observa en el proceso es llamado “punto pinch” o “condición pinch”. El “pinch” define la fuerza motriz mínima permitida en un intercambiador de calor.

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1.4 Objetivos del Análisis “Pinch” El análisis “pinch” se utiliza para identificar los costos energéticos, los objetivos de costo de capital de una red de intercambio de calor y para reconocer el punto “pinch”. El procedimiento primero predice, antes que el diseño, los requerimientos mínimos de energía externa, área de la red y numero de unidades para un proceso dado en el punto “pinch”. Posteriormente se diseña una red de intercambio de calor que satisfaga esos objetivos. Finalmente la red se optimiza mediante la comparación de costos energéticos y los costos fijos de las redes de tal manera que el costo total anual sea mínimo. Por lo tanto el objetivo primordial de un análisis “pinch” es lograr ahorros financieros mediante integración de calor en el proceso (maximizar la recuperación de calor del proceso al proceso y reducir las cargas de los servicios auxiliares).

1.5 Requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento

El punto de partida para un análisis de integración energética es el cálculo de los requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento para una red de intercambio de calor. Estos cálculos se pueden realizar sin tener que especificar la red de intercambiadores.

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Para hacer el análisis de una red de intercambio de calor primero se identifican las fuentes de calor (corrientes calientes) y los sumideros (corrientes frías) en el proceso. De los balances de materia y energía se obtienen la temperatura inicial, la temperatura final y el cambio de entalpia en las corrientes.

1.5.1 Construcción de Curvas compuestas

Las graficas de temperatura – entalpias conocidas como curvas compuestas se usan para establecer objetivos energéticos. Las curvas compuestas son perfiles de temperatura (T) y entalpia (H) que muestran la disponibilidad de calor (curva compuesta caliente) y la demanda de este en el proceso (curva compuesta fría) juntos, en una representación grafica. En general, cualquier corriente con una capacidad calorífica constante (Cp) se representa en un diagrama T-H mediante una línea recta que va desde la temperatura de entrada a la temperatura de salida. La pendiente de esta línea esta determinada por el cambio de temperatura que sufre así como por el cambio de entalpia. Para que exista intercambio de calor, la curva compuesta caliente tiene que estar en una posición en la que siempre se encuentre arriba de la curva compuesta (fig. 1.1)

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Fig. 1.1) Diagrama de las curvas compuestas de los flujos fríos y calientes.

Cuando se tienen más de dos corrientes frías o calientes el problema se debe de tratar de una manera diferente. Por ejemplo, se tienen los datos para las siguientes corrientes (tabla 1.1) Tabla 1.1) datos de las corrientes Tipo Temp. Temp. ∆H mCp corriente Final (MW) (MW °C-1 ) Entrada Ts (°C) TT (°C) 1 Fría 20 180 32 0.2 2 Caliente 250 40 -31.5 0.15 3 Fría 140 230 27 0.3 4 Caliente 200 80 30 0.25 1.5.2 El punto pinch Cuando se ha escogido el ∆Tmin correcto, de acuerdo a las consideraciones económicas entre los costos fijos y los energéticos, se ha fijado automáticamente la posición relativa

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de las curvas compuestas. El ∆Tmin se observa normalmente en un solo punto “pinch” es único en cada proceso. Si se considera que cada intercambiador de calor por separado no debe tener una diferencia de temperaturas menos al valor de ∆Tmin, se puede hacer una separación del proceso en el punto “pinch”. Arriba del este, en términos de temperatura, el proceso esta en equilibrio con la mínima cantidad de servicios auxiliares calientes QHmin. El calor se recibe de un servicio auxiliar caliente, no se desecha u el proceso actúa como un sumidero de calor. Abajo del “pinch” el proceso se encuentra en equilibrio con la mínima cantidad de servicios auxiliares fríos QCmin. No se recibe calor, si no que se desecha a un servicio auxiliar frio y el proceso actúa como una fuente de calor. En resumen, arriba del “pinch” solo se necesita servicios auxiliares calientes, y abajo solo servicios auxiliares fríos. Por lo tanto, para un diseño optimo no se debe transferir calor a través del “pinch”. De aquí se pueden sacar tres reglas básicas para el diseño de redes de intercambio de calor:
No debe de haber calentamiento externo abajo del “pinch”.
No debe de haber enfriamiento externo arriba del “pinch”.
No debe de haber transferencia de calor a través del “pinch”. La violación de alguna de estas tres reglas resulta en un requerimiento de energía mayor que el mínimo requerimiento teóricamente posible.

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1.5.3 Algoritmo de la tabla problema Aunque las curvas compuestas se pueden utilizar para establecer los objetivos energéticos, son poco inconvenientes ya que se basan en una construcción grafica. Un método para calcular los objetivos energéticos directamente sin la necesidad de una grafica fue desarrollado por Linnhoff y Flower (1978). Este algoritmo predice los requerimientos mínimos de servicios auxiliares y la ubicación del punto “pinch” mediante un procedimiento de cuatro pasos: Paso 1: entrada de datos En su forma más simple, el algoritmo se restringe a resolver problemas que tengan las siguientes características: • las corrientes tienen un flujo con capacidad calorífica constante. • La mínima diferencia de temperatura permitida para la transferencia de calor ∆Tmin, se aplica para todos los acoplamientos posibles, ya sean entre corrientes de proceso o entre una corriente de proceso y servicios auxiliares. • No hay restricciones de disposición en la planta o razones de seguridad por la que dos corrientes no se puedan acoplar. • Solo hay un nivel de servicios auxiliares calientes, al extremo caliente del problema; y un nivel de servicios auxiliares fríos, al extremo frio del problema.

Paso 2: Intervalos de temperatura Los intervalos de temperatura se definen por límites de temperatura. A su vez, estos se definen por las temperaturas de

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entrada, Ts, y las temperaturas de salida, TT , ajustadas para ∆Tmin. Los límites de temperatura se definen mediante las temperaturas de las corrientes frías sin ajustar y por las temperaturas de las corrientes calientes menos ∆Tmin. Cualquier intervalo que se repita se ignora. Paso 3: Balances de calor por intervalo La transferencia de calor entre las corrientes calientes y las frías en cada intervalo esta garantizada ya que por la forma en que se hicieron siempre tendrán una diferencia de ∆Tmin. El exceso neto de calor o el déficit del mismo esta dado por el balance de entalpia: ∆ = 



 − 



  −   . 1.1

Paso 4: Cascada de calor El exceso de calor de cada intervalo se va pasando al siguiente, el cual tiene una temperatura menor. Esto se hace para todos los intervalos. El procedimiento para hacer la cascada de calor consta de dos etapas: • Primero se asume que con Qi = 0 se obtiene la cascada de calor con el mayor déficit. • Segundo, se elimina el mayor déficit de la cascada adicionando calor de alguna fuente externa (servicios auxiliar) al primer intervalo, lo que provoca que en un flujo de calor de justamente cero en un intervalo. Este punto es el “pinch”. La cantidad de calor adicionado al primero intervalo es el mínimo de servicios auxiliares calientes QHmin , y el calor que queda hasta el final de la cascada es el mínimo de servicios auxiliares fríos.

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1.5.4 Gran curva compuesta La gran curva compuesta se ocupa cuando se van a seleccionar los servicios auxiliares que se van a utilizar y a determinar las temperaturas de estos. Esta curva muestra la variación del suministro y de la demanda de calor en todo el proceso. Usando este diagrama el diseñador de la red puede decidir que servicios auxiliares se van a utilizar. El objetivo de esta decisión debe ser el de maximizar el uso de los niveles mas baratos y de minimizar el uso de los niveles caros en los servicios auxiliares. Por ejemplo, se prefiere vapor de baja presión y agua de enfriamiento en el lugar de vapor de alta presión y refrigeración. La gran curva compuesta se obtiene graficando la cascada de calor. Un ejemplo de ella se muestra en la figura 1.2. En ella se ve el flujo de calor en el proceso contra la temperatura. Se debe notar que la temperatura que se grafica aquí es la temperatura ajustada (T*) a ∆Tmin y no la verdadera. El punto donde el flujo de calor es igual a cero es el “pinch”. La cantidad de QHmin y QCmin se observa en la parte de arriba y de abajo respectivamente.

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Fig.1.2 Gran curva compuesta

1.6 Mínimo numero de intercambiadores Con los resultados que se tienen hasta este punto, es decir los requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento, se determina el mínimo número de intercambiadores requerido. Como se menciono anteriormente, la temperatura del “pinch” descompone el problema en dos partes distintas. Esto es arriba del “pinch”, en donde solo se tienen servicios auxiliares calientes, y abajo del “pinch”, en donde solo hay servicios auxiliares fríos. En un diseño que cumpla con el requerimiento mínimo energético no se permite transferencia de calor a través del “pinch” por lo que el numero de intercambiadores mínimo es la suma de los intercambiadores tanto arriba como abajo del “pinch”, por separado.

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Numero de

=

Intercambiadores

Numero de intercambiadores Arriba del pinch

+

Numero de intercambiadores abajo del pinch

Arriba del pinch ∶ N) = N* + N, − 1 Abajo del pinch ∶ N) = N* + N, − 1 N) : numero de intercambiadores N* : numero de corrientes N, : numero de servicios auxiliares

1.7 Diseño de la HEN

Ya que se tienen los estimados de requerimientos mínimos de enfriamiento y calentamiento y un estimado del mínimo numero de intercambiadores, se puede diseñar la red de intercambiadores. Este diseño se lleva mejor acabo utilizando el “método de diseño pinch”. La aplicación sistemática de este método permite el diseño de una buena red que cumpla con los objetivos energéticos dentro de límites prácticos. El método incorpora dos partes fundamentales:

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Reconoce la región del “pinch” como la parte con más restricciones, por lo tanto empieza el diseño desde el “pinch” y se va moviendo hacia afuera. Permite que el diseñador escoja entre varias opciones de acoplamiento. El diseño de la red estudia que corriente caliente puede acoplarse con alguna corriente fría mediante la recuperación de calor. Cada acoplamiento lleva una corriente a una temperatura de salida. Ya que el “pinch” divide de intercambio de calor en dos regiones térmicamente independientes, se debe de diseñar una red para arriba del “pinch” y luego otro abajo del “pinch”. Cuando la recuperación de energía se ha maximizado, las necesidades térmicas que quedan se deben de suministrar con servicios auxiliares. Existe una regla heurística que ayuda a determinar los acoplamientos posibles en el punto del “pinch”. Arriba del "pinch": F8 Cp8 ≤ F; Cp; Abajo del "pinch": F8 Cp8 ≥ F; Cp; La representación grafica de las Corrientes y de los acoplamientos se llama “diagrama de red o HEN” (figura1.3). En el, las corrientes calientes y las frías se representan con líneas horizontales. Las temperaturas de entrada y de salida se indican a ambos lados. Los puntos negros representan los intercambiadores.

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Figura 1.3) HEN

1.8 Integración de columnas de destilación La destilación es el método más utilizado para separar mezclas en fase líquida de compuestos con distinto punto de ebullición. Una columna de destilación es un equipo donde el proceso de separación se consigue mediante un “pasaje” de energía desde el reboiler, donde se entrega calor, hasta el condensador de tope, donde se lo retira. En la figura 1.4 se esquematiza esta situación 1. Es una operación altamente intensiva en energía, lo que la convierte en uno de los principales objetivos al momento de realizar un análisis de integración energética 2. 1

Los términos columna o torre de destilación serán usados indistintamente para referirse al mismo tipo de unidades. 2 La línea conceptual básica adoptada para el presentación del tema sigue lo expuesto en el trabajo original de Linnhoff y colaboradores (1983).

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Se debe dejar en claro que la integración de columnas de destilación, como la de cualquier equipo de proceso, es un tema cuyo tratamiento en detalle no puede reducirse a unas pocas páginas como las que aquí se presentan.

Figura 1.4

Normalmente, la columna se abastece de calor desde una fuente auxiliar, vapor, por ejemplo, y lo cede a un medio refrigerante, externo a las corrientes de proceso, como el agua o el aire. La integración témica de una torre de destilación busca aprovechar cantidades de calor disponibles en algún punto del proceso para abastecerse de energía, corrientes calientes, o de necesidades de calentamiento, corrientes frías, para ceder el calor del condensador. Importa definir cuales son las condiciones requeridas para que dicha integración tenga sentido. Debe tenerse en cuenta que toda integración implica un incremento de la interacción entre los elementos que participan de la misma. En una red de intercambio térmico, si todas las corrientes se calentasen o enfriasen con fuentes auxiliares, una perturbación sobre una corriente cualquiera estaría restringida, en su influencia, al equipo correspondiente y su corrección,a los sistemas de control del mismo. Si, en cambio, se ha diseñado

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una red integrada, esa perturbación, en general, ha afectar a otras corrientes de proceso, obligando a los sistemas de control a una corrección más extendida. En consecuencia, si no existen ahorros de energía la integración carece de sentido, porque no tiene compensación. En la figura 1.5 se puede ver alternativas para la posible integración de una columna de destilación en un proceso cuya cascada de calor se muestra. La línea de trazos indica la ubicación del Pinch para el proceso, esto es, previo a considerar la integración de la columna.

Figura 1.5

En la parte (a) de la figura el reboiler toma calor del bloque caliente y el condensador de tope lo cede al bloque frío. Se puede ver que la fuente caliente auxiliar debe agregar al suministro de QSCmin que requiere el proceso la cantidad QReb para la columna, en tanto que la fuente fría auxiliar debe absorber, además del QSFmin original, el calor cedido por condensador QCond. Es decir, la integración de la columna no produce ningún ahorro en las demandas de servicios auxiliares. En la parte (b) se muestra la integración de la columna en el bloque caliente. Puede verse que la demanda sobre la fuente

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caliente auxiliar se modifica del valor QSCmin a QSCmin + QReb QCond, esto es, la modificación es igual a la diferencia entre las transferencias de calor entre el fondo y el tope de la columna. Dado que la integración se produce totalmente en el bloque caliente, los requerimientos a la fuente fría auxiliar no se modifican. Puede verse que no es preciso que el rebolier esté efectivamente integrado en la casacada, siendo necesario, solamente, que el condensador ceda calor en el nivel que corresponda del bloque caliente. Esto no es siempre necesariamente cierto. En la figura 1.6 se ha representado la columna como un rectángulo, lo que presupone QReb = QCond, superpuesto a la Gran Curva Compuesta (GCC) del proceso.

(a)

(b)

Figura 1.6

En la figura 1.6 (a), donde los sucesivos intervalos del bloque calientes son demandantes netos de calor, puede verse que, de acuerdo a como está ubicada la columna, la fuente caliente auxiliar sólo se requiere para satisfacer el extremo derecho de la Gran Curva Compuesta y el reboiler puede o nó estar integrado, ya que siempre estará tomando calor de la fuente auxiliar .

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En la parte (b), en cambio, donde existe lo que se denomina un “bolsillo” en la GCC, el rebolier debe estar necesariamente integrado ya que la ubicación de la columna la transforma en un puente para la transferencia de calor dentro del bolsillo. A modo de aclaración: en una GCC, los tramos donde dT/dQ es negativa representan fuentes netas de calor, en tanto que aquellos donde dicha derivada es positiva son sumideros netos. Dos tramos consecutivos, donde el primero es fuente y el segundo sumidero, como en la figura 1.6, en el sector en el que superponen, conforman un “bolsillo”, en el que no se requiere la intervención de fuentes externas. Se aprecia aquí una de las características “virtuosas” de la GCC en la que, con mucha facilidad, es posible realizar un análisis de integración de un elemento nuevo con un proceso que ha sido integrado energéticamente.

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2 ANALISIS ENERGETICO A LA PRÁCTICA NO. 1 (DESTILACIÓN DE MEZCLAS BINARIAS). 1. objetivos.

Analizar la integración energética en estado estacionario en una columna de destilación simple para separar la mezcla benceno – tolueno mediante aspen HYSYS.

2. Introducción

Las crisis energéticas de los años setenta despertaron la preocupación acerca de la duración de los recursos energéticos que abastecen al mundo, poniendo interrogantes sobre cuál podría ser el futuro de la sociedad humana, las fuentes energéticas que la sostendrían y las perspectivas de crecimiento económico. La integración de procesos se ha convertido en una herramienta muy útil para disminuir los consumos de energía y alcanzar significativos ahorros en costos y utilidades. Las herramientas de análisis de procesos desarrolladas son técnicas de diseño genéricas, sistemáticas y de uso sencillo, tienen como base el tratamiento de programación matemática, se trabaja con funciones objetivos, modelos matemáticos y el tratamiento termodinámico, en el cual se encuentra el análisis de pinch, específico para los estudios energéticos.

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3. Análisis energético de la mezcla benceno – tolueno Para realizar nuestro análisis energético, lo primero que debemos hacer es abrir nuestra simulación, puesto que esta ya esta simulada correctamente, para empezar nuestro análisis nos vamos a la ventana de herramientas de nuestra simulación que se encuentra en la parte superior y damos clic en la pestaña Transfer to energy analyzer, luego se nos abre una ventana llamada select Flowsheets, seleccionamos C_1 (COL 1), y le damos ok. Ya con la ventana desplegada empezamos con nuestro análisis, lo primero que hay que hacer es obtener nuestra información de entrada donde estarán nuestras corrientes calientes y frías:

Tabla 1) información de entrada

La tabla 1, nos muestra la información de entrada con las respectivas corrientes y el tipo de corrientes, donde observamos que hay dos calientes y dos frías, con sus respectivas temperaturas de entradas y de salidas, y sus respectivos calores específicos y sus entalpias. Hot T.(°C) 79,3 78.8 78.8 78.3

Hot Enthalpy (kJ/h) 9,416e+006 5,041e+006 4,380e+006 0,0000

Tabla 2) datos para la curva compuesta

Cold T. (°C) 111,1 110,6 110,6 110,1

Cold Enthalpy (kJ/h) 2,157e+007 1,549e+007 1,549e+007 9,416e+006

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Con los datos que nos proporciona la tabla 2. Lo que viene a continuación es mitrar la curva compuesta, esta la podemos ver en nuestra simulación, en la ventana targets y damos clic en plots/table, y de la parte derecha desplegamos y damos clic en composite curve, y del lado izquierdo podemos observar la tabla haciendo el mismo procedimiento.

Figura 1) curvas compuesta

De la figura 1 podemos observar las dos curvas compuestas, azul para la corriente de enfriamiento y la roja para la de calentamiento, se puede observar la temperatura pinch, la cual es de 78.3 °C. Ya obtenida la información de entrada, se selecciona el ∆Tmin. Para hacer este procedimiento, este valor se introduce en la parte inferior izquierda, donde hay un cuadro DT_min. Para este caso he elegido un ∆Tmin. De 10°C, para escoger nuestro ∆Tmin, debemos de ser muy cuidadoso, Puesto que Cuando se ha escogido el ∆Tmin correcto, de acuerdo a las consideraciones económicas entre los costos fijos y los energéticos, se ha fijado automáticamente la posición relativa de las curvas compuestas.

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El ∆Tmin se observa normalmente en un solo punto “pinch” es único en cada proceso. La figura 2 nos muestra el intervalo de temperatura:

Figura 2) intervalo de temperatura

De la figura 2. Podemos observar el intervalo de temperatura y se ve claramente nuestro ∆Tmin, y se puede observar las temperaturas pinch. Después de haber seleccionado nuestro ∆Tmin, lo siguiente es introducir las corrientes de servicios auxiliares, para esto debemos de observar detalladamente la gran curva compuesta, la cual nos indicara que servicios se deben de utilizar, la figura 3, nos muestra la gran curva compuesta.

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Figura 3) gran curva compuesta

La figura 3, podemos observar que nuestro proceso necesita dos corrientes de servicio, pero en nuestro caso estas ya están seleccionadas, para observar las corrientes de servicios solo nos tenemos que dirigir a la ventana targets y damos clic en utility_targets, cuando estemos en este paso debemos cerciorarnos de que la simulación este correcta ósea esta halla corrido correctamente, para saber este caso, debemos de observar en la parte inferior de la ventana de nuestro simulador que este en verde tanto heating y cooling, y diga sufficient. La tabla 3 nos muestra los resultados obtenidos de nuestro proceso:

Tabla 3) resultados de las corrientes de servicios

De la tabla 3, podemos observar las dos corrientes de servicios y notamos que se utiliza como corriente de enfriamiento aire, lo cual no va a tener algún costo, y como corriente de

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calentamiento se esta utilizando una corriente de vapor de baja presión, la temperatura de entrada y de salida de la corriente de enfriamiento es de 30 y 35 °C respectivamente, y la de calentamiento es de 125.0 y 124.0 respectivamente, el índice de costo de la corriente de enfriamiento es de 0.000 y el de calentamiento es de 1.9000 e+006. Con los datos de entrada y las corrientes de servicio, procedemos a obtener la curva compuesta balanceada. La figura 4 nos muestra el diagrama donde podemos observar nuestras corrientes de servicios con sus respectivas temperaturas:

Figura 4) diagrama con las corrientes de servicios

Ya con los datos obtenidos lo que se hace a continuación es elaborar la curva compuesta balanceada, en donde esta nos muestra las corrientes de servicios. Para observar la grafica de la curva compuesta balanceada, el procedimiento a seguir es: En la parte inferior damos clic en la pestaña targets, y damos clic en plots/tables, nos vamos a la parte derecha y

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desplegamos y damos clic en Balanced Comp. Curves y damos clic en View StandAlone Plot, y para observar la tabla desplegamos la pestaña de la parte izquierda y buscamos la tabla correspondiente a Balanced Comp. Curves

Figura 5) curva compuesta balanceada

La figura 5, nos muestra la curva compuesta balanceada la cual nos sirve para el diseño de la red de intercambiadores (HEN). Y así poder calcular el área total de transferencia de calor. La tabla 4, nos muestra los datos de la curva compuesta balanceada: Hot T.(°C) 125,0 124,0 79,26 78,800 78,76 78,30

Hot Enthalpy (kJ/h) 21566494,1275316 9416339,18671882 9416339,18671882 5041247,59913346 4380220,58822580 0,000000000000000

Cold T. (°C) 111,12 110,62 110,59 110,090 35,0 30,0

Tabla 4) datos de la curva compuesta balanceada

Cold Enthalpy (kJ/h) 21566494,1275316 15488528,7812106 15488528,7812106 9416339,18671882 9416339,18671882 0,000000000000000

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N° 1 2 3 4

Tfria 32,50 35.00 110,6 111,12

Tcaliente 78,30 78,76 124.0 124,5

∆Tfria 13,88 13,90 46,27 48.3

∆Tcaliente 13,88 13,90 44,27 46.30

LMTD 47,29 13,90 45,26 13,88

Q 4.711 6.072 4.705 6.078

Tabla 5) LMTD – Q estimación por intervalos

La tabla 5, nos muestra los datos de temperaturas frías y calientes, para cada intervalo, con su respectivo LMTD y su respectiva carga calórica. A continuación, con estos datos se procede a obtener los datos para el área de transferencia de calor para cada intervalo y el área total de transferencia de nuestra simulación. Para realizar la operación del área de transferencia de calor por intervalos la ecuación que utiliza el simulador es la siguiente: I J Q   1 ij Ak =   ∑∑  LMTD i j U ij  k I J  1  1 1  Ak =  Qij  +  ∑∑  h h  j   i  LMTD i j k J I Q  1  I J Qij   ∑∑ Ak =  + ∑∑ ij +   j i hj  LMTD  i j hi  k

 1  I 1 ∑ Ak =   i h LMTD  i 

J

J

j

j

∑ Qij + ∑

J q  1  I q ∑ i + ∑ j Ak =  j hj  LMTD  i hi

1 hj

 Q ∑i ij   k I

    k

Para el cálculo del costo de un intercambiador, Para el cálculo del área de la HEN y el costo HYSYS emplea las siguientes formulas:

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Costo de un intercambi ador = a + bA c K

Area de una red de intercambi adores :

A RED = ∑ Ak k =1

c   ARED   Costo de una red de intercambi adores = N  a + b     N   

Para nuestro resultado, nos vamos a la parte inferior de nuestra simulación y damos clic en la pestaña HEAT EXCHANGERS, donde podemos ver todos los datos para el calculo de el área de nuestra HEN.

Tabla 6) detalle de los resultados del área de transferencia de calor

De la tabla 6, notamos que el número de unidades es de 4 con 5 carcazas. Para lograr observar los datos del área y el número de intercambiadores de nuestra HEN gráficamente, solo damos clic en la parte superior de nuestra simulación en OPEN BAR CHART VIEW, enseguida se nos abre una ventana, la cual nos muestra las 4 graficas referente a nuestros intercambiadores de calor:

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Figura 6) grafica AREA vs intercambiadores de calor

Figura 7) grafica No de corazas vs intercambiadores de calor

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Figura 8) grafica UA vs intercambiadores de calor

Figura 9) grafica Duty vs intercambiadores de calor

De la figura 6, podemos observar que el total del área es de 1679 m2, de la figura 7, vemos el número total de corazas y de todas las figuras el número total de unidades. Con los datos de la tabla 6, procedemos a calcular el costo de capital, costo de energía, costo total anual, para observar estos resultados en nuestra simulación, debemos de irnos a la parte

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inferior de nuestra ventana de simulación y damos clic en la pestaña PERFORMANCE, y damos clic en summary, donde podemos observar el costo de energía y los costos de operación, el de capital y el total.

Tabla 7) tabla costos de operación

Tabla 8) costos de los servicios.

La tabla 7 y 8 nos muestra los resultados detallados de los índices de costos, de la 8 se puede observar que el servicio de enfriamiento es 0.0000, puesto que en el proceso se trabaja con aire.

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Figura 10) diagrama temperaturas calientes vs frías

Figura 11) diagrama costo de red de intercambiadores.

La figura 10, nos proporciona el proceso de calentamiento y el de enfriamiento, y la figura 11 nos muestra el comportamiento del costo total con respecto a la temperatura, se puede observar que aproximadamente a una temperatura de -28 °C el costo total es de 1.11 e-002.

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Figura 12) diseño de la HEN.

La figura 12, nos enseña de cómo se encuentra distribuida nuestra red, donde se ve claramente nuestras 4 unidades con sus respectivas corrientes de y carga de calor, también se observa las corrientes de servicios tanto la de baja presión que opera a una temperatura de 124.5 °C, y la de enfriamiento que opera a temperatura 32.5 °C. Como se definió anteriormente que para l proceso de enfriamiento el utilizado por no tener costo alguna es el aire, puesto que es esta la utilizada por nuestro proceso, pero esto lo podemos cambiar por otro servicio y como por ejemplo el agua de enfriamiento, pero sabemos que esta tiene un costo elevado, para hacer esta acción lo que se procede hacer es lo siguiente: Lo primero que se debe de hacer es irnos a la parte inferior de nuestra ventana de simulación y dar clic en la pestaña DATA, y damos clic en Utility Streams, luego en la parte derecha desplegamos la pestaña donde dice AIR y seleccionamos cooling wáter, y vemos que nos converge y podemos observar que ya el costo de este servicio nos cambio, la tabla a continuación nos muestra estos resultados mas detallados.

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Las tablas anteriores, son los resultados obtenidos luego de haber cambiado el servicio de enfriamiento, y nos damos cuenta que enseguida se modifica todo nuestro proceso.

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3 ANALISIS ENERGETICO A LA PRÁCTICA NO. 9 (DESTILACIÓN REACTIVA). 1. objetivos.

El objetivo del presente trabajo es el análisis de la eficiencia energética del proceso de destilación reactiva en términos de la disponibilidad termodinámica, mediante el simulador de aspen HYSYS. 2. Introducción. La fase sólida de la gasolina ha estimulado la producción de Eter, como el MTBE (metil terbutil eter), TAME (ter amit metil éter) y otros (véase, Short, 1986; Unselman 1989). Mezclados en el poso de la gasolina los así llamados estimuladores del octano incrementan le número de octanaje de la gasolina y disminuye las emisiones de CO. En el presente, la capacidad de producción mundial de MTBE se ha incrementado bastantemente y es de esperarse que en 1993 se produzca 17 x 1 O 6 toneladas a nivel mundial, lo cual es casi el doble de la capacidad de producción en 1990. El método de producción del MTBE más comúnmente usado se basa en la fase líquida de la reacción química entre metanol e isobuteno en un reactor de cama fija. La reacción mencionada es un ácido catalizado y la mayor parte del proceso de producción usa una resina de intercambio fuerte y un ión-ácido como catalizador. La reacción de catálisis entre el metanol y el isobuteno para que el MTBE tenga las siguientes características:

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1. La reacción es exotérmica (H, = -37.7 KJ/mol) y la conversión máxima se determina por el valor del equilibrio termodinámico. 2. La reacción es selectiva por el isobuteno es; decir, los otros butenos no son convertidos y casi ningún biproducto es formado. 3. El equilibrio vapor - líquido se comporta de una manera no ideal, es decir, se pueden obtener grandes coeficientes relativos de actividad. Sin embargo no ocurren separaciones de la fase líquida. En un proceso convencional de producción de MTBE (véase, Anallot y otros1987), el metanol, una mezcla de butenos y una corriente reciclada son alimentados a un reactor de cama fija consistente de una resina de intercambio fuerte de ácido. El flujo de producto neto de éste reactor consiste de metanol no convertido e isobuteno, de MTBE y otros butenos inertes los cuales son separados por extracción y destilación. El isobuteno que se obtiene de la columna de destilación y el metano que resulta de la columna de extracción son recirculados a la corriente de alimentación del reactor. En una unidad de destilación catalítica tanto la destilación como la reacción química ocurren simultáneamente en una columna de deposito o empaquetamiento. Esta combinación ofrece ventajas potenciales superiores al sistema de destilación subsecuente y de cama fija mencionada anteriormente. Entre las ventajas se menciona lo siguiente. Uso del calor de la reacción para la separación del producto; un perfil de temperatura fácil de controlar en la sección catalítica, es decir, no se requiere enfriamiento y no hay presencia de puntos o zonas de calor; bajos costos de operación debido a las

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Altas conversiones obtenidas (véase Kerlhof y otros 1991), ya que las limitaciones del equilibrio termodinámico son evitados gracias a la separación del producto; bajo costo de capital debido al poco equipo requerido. Actualmente algunos procesos de destilación catalítica comerciales son operados utilizando una torre de destilación recubierta con un embalaje de fibra de vidrio en el cual es inyectado el catalizador (Lander y otros 1983). Otros tipos de empaquetamiento, como el de la resina ácida que se encuentra en un empaquetamiento estructurado (Degarmo y otros 1992) también pueden reusados como un material adecuado. La destilación reactiva es el tema de un número creciente de estudios teóricos y experimentales. También pueden ser considerados las siguientes aplicaciones de esta unidad de operación: Reacciones de hidrólisis (por ejemplo de eterificación y alquilación). La combinación de la reacción y la destilación en el proceso de un solo paso puede ser dificultada por un cierto número de interacciones complejas. Los estudios de simulación pueden ayudar a determinar la influencia de las reacciones de alimentación. La razón de reflujo y cantidad y la cantidad de catalizador en la reacción global y la pureza del producto, así como optimizar el funcionamiento de la columna. En lo que sigue los resultados serán presentados a partir de simulaciones de síntesis de MTBE en una cama fija y en una columna de destilación reactiva.

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3. Análisis energético de la destilación reactiva. Para el análisis energético de esta practica pues fue muy sencilla, ya que en estos proceso se pueden obtener ahorros energéticos bastante considerable los cuales vamos a ver mas adelante. Por lo tanto lo primero a analizar son nuestros datos de entrada:

Tabla 1) datos de entrada

La tabla 1, nos muestra los datos de entrada de nuestro proceso con dos corrientes una caliente y una fría.

Tabla 2) datos de las corrientes de servicios

La tabla 2, nos muestra las propiedades de las corrientes de servicios, y podemos observar que la de enfriamiento asi como la simulación anterior es de aire para la cual se hace un ahorro de enfriamiento.

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Tabla 3) resultado detallado de los costos.

La tabla 3, nos da a conocer con más detalle de los resultados obtenidos de los costos de operación y el anualizado.

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Figura 1) diagrama y tabla de la curva compuesta.

De la figura 1 podemos concluir que el calentamiento requiere de mucha energía, y podemos observar las temperaturas pinchs, en donde la entalpia es 0.000.

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Figura 2) diagrama y tabla costos vs ∆Tmin.

De la figura podemos observar que nuestro costo total es de 0.0000, asi como se dijo al principio la destilación reactiva tiene esa ventaja de el ahorro energéticos y de por supuesto de costos, también se puede observar el delta de temperatura minimo el cual es de 10 °C. De la tabla se puede observar del área de nuestra red de intercambiadores.

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Tabla 4)

De la tabla podemos concluir que las unidades utilizadas es de 2 con un área de 507.9 m2, también se observa las cargas de calor de las corrientes de servicios.

Figura 3) grafica área vs intercambiadores de calor

De la figura se observa que son dos unidades utilizadas en nuestra simulación, en la cual la de enfriamiento es la mas grande ósea con área mucho mayor.

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Figura 4) HEN.

La figura 4, nos indica de cómo se encuentra distribuida nuestra red. Ya que esta sirve para visualizar muy bien el intercambio de calor de las corrientes, donde se observa que la corriente de enfriamiento es aire que va desde 30.0 a 35.0 °C y la de calentamiento, la de baja presión esta desde 125.0 a 124.0 °C, y se observa el proceso de enfriamiento y el de calentamiento.

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4 Conclusión

Se demuestran las ventajas que ofrece, para el análisis energético en los procesos, el uso del simulador Aspen HYSYS en el caso de estudio, de la practica 1 y 9, a través de la obtención de un mayor volumen de información, efectividad y rapidez. Se logra un ahorro considerable de energía en la destilación reactiva, los costos de capital se reducen puesto que solo se usa un equipo.

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5 Bibliografías.


Batelle Columbus Division. “Pinch technology tech commentary”, Electric Power Research Institute, vol. 1, no. 3, 1988.
SABOO A. and SABOO M. Optimization of CHP Systems using Pinch Technology [Online] December 2008. Available: http://www.energymanagertraining.com/Presentations/3L_ CHP/11_18Pages/07_AlokSaboo.doc
PINCH ANALYSIS. Departament of Process Integration. The University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST). Inhouse Course, for Shell Columbia. Pinch Analysis 5-7 August 2002.