La tecnología pinch como herramienta para el uso eficiente de la energía

Y. Mendoza1, E. Yepes2

Universidad del Atlántico, Facultad de ingeniería, Ingeniería química

Gestión integral de la energía

Resumen

La tecnología pinch o análisis pinch es una metodología reciente utilizada con el fin de optimizar la recuperación energética de los procesos químicos. Dicha tecnología surgió a finales de los años 70 (Linnhoff y Vredeveld) y consistió inicialmente de la cuantificación de los servicios existentes en una planta (vapor, agua, y en general los servicios de calentamiento y enfriamiento) con el objetivo de observar las necesidades de intercambio de calor de dicha planta. Dicha optimización consiste en un diseño correcto de la red de intercambiadores de calor de modo se pueden aprovechar aquellas corrientes calientes y frías de una planta, para intercambiar calor entre ellas, minimizando así el uso de servicios de calentamiento o enfriamiento.

Palabras claves: Optimización energética, simulación de procesos, refinación de aceites vegetales.

1. Introducción

La optimización en las técnicas de procesos ha sido ampliamente investigada, apuntando todos los esfuerzos a hacer práctica y económicamente posible innumerables procesos industriales. En particular, la optimización de la energía juega un rol decisivo, practicando el uso más apropiado.

La optimización, en este caso, se sobreentiende como el estudio y análisis en los intercambiadores de calor en conjunto y la síntesis sobre alternativas de configuración (lay out), a través del uso de la tecnología "Pinch". Se sugieren nuevas estructuras para conjuntos de intercambiadores, con el propósito de minimizar la cantidad de energía involucrada (calor y/o frío) [1].

2. Marco histórico

Desde los años ‘70, con el surgimiento de la crisis energética, una especial atención se ha orientado hacia la optimización de procesos; además de esto, inquietudes de orden ecológica y económica han motivado el desarrollo de técnicas que posibilitan la utilización racional de la energía en los más variados rubros industriales [1].

La optimización energética, por lo tanto, debe ser vista como una técnica imprescindible del proyecto, en la búsqueda de factores de diferenciación de costos. La conservación de energía por medio de la síntesis de redes de intercambiadores, es práctica común en la

mayoría de las plantas químicas y petroquímicas (Challand et al. 1981). Esto ocurre porque en dichas redes de intercambiadores de calor (RIC), los flujos de energía pueden manejarse con un alto grado de flexibilidad, posibilidades de reciclo y la utilización de la energía generada de manera no secuencial (Stinghen, 1998) [1].

Innumerables técnicas de optimización han sido utilizadas para solucionar el problema de síntesis de las RIC. Inicialmente transformada en modelos matemáticos del tipo combinatorial, la complejidad de las RIC industriales exigió innumerables simplificaciones (Gundersen y Naes, 1988) [1].

A partir de mediados de la década del ‘70, Hohmann (1971), produjo una nueva técnica basada en consideraciones termodinámicas denominada tecnología "Pinch". La descomposición del problema en sub-redes o circuitos de flujo caliente o frío, y la determinación del punto de estrangulamiento termodinámico, donde no hay transferencia de calor entre los flujos, constituyen las bases de esta sistemática que derivó en un mejor entendimiento; práctica de síntesis y optimización energética en los complejos RIC [1].

[1] e-mail: yoby517@hotmail.com[2] e-mail: ing.yepes88@gmail.com

3. Marco teórico

El diseño de una nueva planta química o de proceso, o la optimización de una planta existente, es un problema complejo, ya que siempre existen interacciones entre las unidades que forman el proceso, que hacen imposible abordar el diseño de cada una de estas unidades de forma individual. Esta metodología se puede resumir en los siguientes pasos:

1. Se comienza el diseño en la capa más interna (el sistema de reacción), que representa la parte fundamental del proceso, ya que el funcionamiento de la capa interna afecta a todas las capas externas.

2. Se diseña esta sección de forma óptima de acuerdo a la información disponible (de momento incompleta).

3. Se diseña el sistema de separación y recirculación, con lo que los balances de materia y energía quedan establecidos.

4. Se diseña el sistema de intercambio de calor y de recuperación energética de la planta, de forma que los consumos energéticos sean mínimos.

5. Se diseña el sistema de servicios generales (calefacción y refrigeración), que mejor cubran las necesidades energéticas de la planta.

Este proceso de diseño es iterativo, ya que la información obtenida del diseño de las capas exteriores permite modificar y optimizar las capas más internas [5].

3.1.El análisis pinch

En los últimos diez años el análisis de pliegue ha pasado de ser una herramienta dirigida a mejorar la eficiencia energética en el diseño de redes de recuperación de calor, a una metodología de optimación tanto para diseñar procesos nuevos como para modificar procesos existentes. Actualmente incluye el diseño de:

a) Redes de recuperación de calor.b) Sistemas de separación.c) Sistemas de remoción de desechos.d) Sistemas de calor y potencia.e) Sistemas de servicios auxiliares.f) Complejos industriales.

Sus objetivos, además del mejoramiento de la eficiencia energética del proceso, incluyen:

a) Reducción del costo de capital.b) Reducción del costo de la energía.c) Reducción de emisiones contaminantes.d) Optimación del uso del agua.e) Mejoramiento de la operación y de la producción.

Esta técnica se ha aplicado en refinerías, fundidoras, plantas petroquímicas, papeleras, cerveceras y textiles, entre otras [5].

3.2. Conceptos básicos del análisis pinch

Temperatura mínima de aproximación: es la diferencia mínima de temperatura que puede existir entre las corrientes calientes y frías para que se pueda presentar transferencia de calor sin violar la segunda dey de la termodinámica [4].

Punto pinch: es aquel en el cual no hay transferencia de energía entre dos intervalos de temperatura. Esta temperatura pinch divide el problema de diseño en dos partes: por encima del pinch y por debajo del pinch.

Mínimos requerimientos energéticos: es la cantidad mínima de calentamiento y enfriamiento que requiere el proceso.

Curva compuesta: es una grafica que enfrenta la entalpia Vs temperatura usada para seleccionar los niveles de servicios y para estimar el área de transferencia de calor [4].

3.3. Pasos del análisis pinch

Se presenta un algoritmo general que proporciona el número de mínimo de intercambiadores calor y los mínimos requerimientos energéticos. El algoritmo está constituido por los pasos que se observan en la figura 1.

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Figura 1. Pasos necesarios para aplicar el análisis pinch a in proceso.

1. Escoger la temperatura mínima de aproximación:

Esta representa la diferencia más pequeña de temperatura entre las dos corrientes que salen o entran al intercambiador. Loa valores típicos se encuentran entre el intervalo de (5-20) ºC. Este intervalo aunque es típico no es muy claro y para escoger el valor adecuado se debe realizar un estudio económico previo.

2. Construcción del diagrama de intervalos de temperatura:

En este diagrama todas las corrientes del proceso son representadas por una línea vertical, usando la convención de que las corrientes calientes que requieren enfriamientos se colocan hacia abajo en el lado izquierdo y las corrientes frías que requieren calentamiento de forma contraria.

Como punto de partida se considera la transferencia de calor en cada intervalo de

temperatura de forma separada. La expresión utilizada es:

Qi=[∑ (FC p )calientes , i−∑ (FC p ) frias, i ] ΔT i (1)

Figura 2. Diagrama de intervalos de temperaturas. Este diagrama se realizo utilizando el programa HENSAD desarrollado por Richard Tourton [3].

3. Construcción del diagrama de cascada:

Muestra la cantidad de energía para cada intervalo de temperatura. Con este diagrama podemos encontrar los requerimientos netos en cada intervalo de temperatura y transferir cualquier exceso de calor a un servicio de calentamiento. Para minimizar los requerimientos de servicios se calentamiento y enfriamiento, se encuentra el punto pinch mediante el grafico y se considera como aquel en donde la energía no puede ser transferida.

Figura 3. Diagrama de cascadas. Este diagrama se realizo utilizando el programa HENSAD desarrollado por Richard Tourton [3].

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Figura 4. Curva compuesta temperatura Vs entalpia. Este diagrama se realizo utilizando el programa HENSAD desarrollado por Richard Tourton [3].

4. Calcular el número mínimo de intercambiadores de calor.

Una vez encontrado el punto pinch en el paso tres es necesario encontrar el número mínimo de intercambiadores de calor para llevar a cabo la transferencia de este con el diseño de servicios mínimos.se divide el problema de transferencia de calor en dos partes:

Sobre el pinch

(Ne )= (Ns )+ (Nv )-1 (2)

Debajo del pinch.

(Ne )= (Ns )+ (Nv )-1 (3)

Siendo el numero de intercambiadores de calor, Ns el numero de corrientes del proceso y Nv el numero de corrientes de servicio [2].

5. Diseñar la red de intercambiadores de calor.

Se diseña la red de intercambiadores en dos partes por encima y por debajo del pinch.

Diseño por encima del pinch: Se calculan los calores entre la temperatura de entrada y salida y la temperatura pinch para cada sistema.

Diseño por debajo del pinch

Se realiza el mismo procedimiento de diseño.

Consideraciones

Se define Fh y Fc como los flujos de las corrientes calientes y frías, y Cph y Cpc como las capacidades calóricas de las corrientes calientes y frías. Una regla de diseño para los cruces posibles es:

Sobre el pinch

FhC ph≤ FcCpc (4)

Debajo del pinch

FhC ph≥ FcCpc (5)

Solo caliente sobre el pinch y solo enfríe debajo del pinch.

6. Estimación del área de transferencia de calor.

Se usan los resultados de los estimativos de los requerimientos mínimos de calentamiento y enfriamiento para calcular los costos de servicios para una planta. Es muy necesario calcular el costo de capital asociado con una red de intercambiadores de calor sin tener que diseñar dicha red. Afortunadamente, Townsend y Linnhoff presentaron una técnica para realizar estos estimativos, (lo cual es una extensión de un previo resultado de Hohmann) [2].

El procedimiento consiste en incluir líneas verticales donde sea que haya un cambio de pendiente en el grafico de temperatura vs entalpia y se considera que cada intervalo representa uno o más intercambiadores de calor en paralelo. En la grafica se puede leer el flujo calórico de cada intercambiador de calor y los valores de los cambios de temperatura. Luego si las curvas de enfriamiento y calentamiento corresponden a una sola corriente se pueden estimar los coeficientes de individuales transferencias para cada corriente como un coeficiente total:

1U

= 1hi

+ 1h0

Donde los coeficientes individuales incluyen el factor de asociamiento. El área de los intercambiadores de calor está dada por:

A= QU ΔT LM

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Donde, si hay múltiples corrientes en cualquier intervalo, entonces se debe desarrollar una expresión apropiada para el coeficiente global de transferencia de calor:

(6)

Y podemos estimar el área total sumando los resultados para cada intervalo. Cabe destacar que este es un procedimiento corto particularmente usado cuando se quiere encontrar el efecto de los flujos de proceso en el costo de capital de la red de intercambiadores de calor [2].

4. Herramienta para la integración de sistemas de cogeneración.

El análisis pinch convencional identifica el consumo de energía más económico en términos de cargas térmicas, dando guías prácticas de diseño para conseguir este objetivo. Sin embargo, para el análisis de sistemas que involucran calor y potencia como sistemas de refrigeración, plantas de potencia, bombas de calor, sistemas de cogeneración, etcétera, el análisis en términos de calor es insuficiente. Para estos sistemas se aplica el tratamiento combinado del análisis de pinch y del análisis energético [5].

5. Conclusiones

En el presente trabajo podemos concluir que el máximo ahorro potencial de agua y energía se logra aplicando la tecnología pinch. Dicho análisis mira a la Planta en su conjunto y no compara sino que toma en cuenta las características específicas de la planta como la antigüedad, ubicación, procesos, equipos, preferencias operacionales, productos, etc. Además determina el máximo potencial para la cogeneración.

Y. Mendoza, E. Yepes

6. Agradecimientos

Agrademos a la Universidad del atlántico por apoyarnos en nuestro trabajo y por facilitarnos los materiales necesarios para

desarrollarla. La investigación se realizo gracias a la ayuda proporcionada por Melanio Coronado Ingeniero Químico y profesor de las asignaturas de diseño de plantas y control y simulación de procesos de la universidad del Atlántico.

7. Bibliografía

[1] DECIO T. MAY, A. BOLZAN Y A. O. STINGHEN, Optimización energética en el proceso de refinación de aceites vegetales, utilizando la tecnología “PINCH”. Libro de Oro de A&G 15º Aniversario Tomo IV. Ed. 42-60. Argentina, 2005

[2] DOUGLAS, James. Conceptual Design of Chemical Processes. Mc Graw Hill: United States of América. 2003.

[3] TOURTON, Richard; BAILIE, Richard. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes. 2ª ed. Prentice Hall: United States of América. 2003.

[4] SAHDEV, Mukesh; Pinch Technology: Basics for Beginners, Associate Content Write, http://www.cheresources.com/pinchtech.pdf

[5]http://docencia.izt.uam.mx/jarh/LPD- I/material_adicional/PINCH.pdf

Delegado:

Firma

Director de ponencia:

Firma

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