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Tema 4
Diseño de Procesos
El propósito de la Ingeniería es producir nuevas sustancias. Se intenta cumplir este objetivo en Ingeniería Química vía las transformaciones químicas y bioquímicas y/o los procesos de separación de los materiales.
El diseño de plantas y procesos es la actividad creativa por la cual generamos ideas y luego las trasladamos a equipos y procesos para producir nuevos materiales o para aumentar significativamente el valor de los materiales actuales.
Se trata de generar nuevas ideas para:
- Producir una materia prima comprada.
- Convertir un subproducto de desecho a un producto con valor.
- Producir un nuevo producto.
- Encontrar una nueva forma de producir un producto ya producido.
- Explotar una nueva tecnología.
- Explotar un nuevo material de construcción.
La síntesis de procesos, es decir, la selección de los equipos y la interconexión entre ellos para lograr un objetivo, es realmente una combinación de actividades de síntesis y análisis.
Inconveniente: problemas subdefinidos.
Síntesis y análisis
Una característica que distingue a los problemas de diseño de los demás problemas ingenieriles, es que están subdefinidos, es decir no se dispone de una parte de la información necesaria para resolver un problema de diseño.
Para suministrar la información faltante, debemos hacer suposiciones acerca de qué tipo de unidades de proceso serán usadas, como estarán interconectadas, y cuales serán las temperaturas, presiones y caudales requeridos. Esta es la
Teoría de Proyecto Final
síntesis. La síntesis es difícil debido a que hay un gran número (104 a 106) de posibilidades para cumplir con un mismo objetivo.
Normalmente se busca encontrar la alternativa de proceso que tenga menor costo, pero debemos asegurar que el proceso sea seguro, que cumpla con las restricciones ambientales, que sea fácil de poner en marcha y de funcionar.
En algunos casos se pueden emplear reglas empíricas (heurísticos, que no tiene forma de probarse) para eliminar ciertas alternativas de proceso, pero en otros es necesario diseñar varias alternativas y luego comparar sus costos.
Cuando se consideran nuevos problemas, donde no se posee experiencia y no se pueden identificar analogías, se trata de emplear procedimientos de diseño simplificados (short cut) como la base para comparar alternativas. Estos métodos rápidos se emplean solo para “tamizar alternativas”, luego si el proceso parece rentable, se usan cálculos de diseño riguroso para la mejor alternativa.
Se desarrollan estrategias para solucionar dichos problemas.
Método Ingenieril
El ingeniero usa procedimientos de diseño y de costo más rigurosos para los equipos más caros, mejora la precisión de los cálculos aproximados de balance de masa y de energía y agrega detalles en términos de equipos más pequeños y más baratos que se necesitan para las operaciones de proceso, pero que no tienen fuerte impacto sobre el costo total de la planta como ser bombas, tanques, entre otros. La estrategia de solución de este tipo como una serie de sucesivos refinamientos se llama Método Ingenieril.
Diseño mediante el establecimiento de Jerarquías
Los problemas de diseño de procesos son subdefinidos y únicamente el 1% aproximadamente de las ideas son realmente comercializadas.
Una estrategia eficiente para desarrollar un diseño es inicialmente considerar sólo los cálculos gruesos, es decir eliminar proyectos pobres y alternativas de procesos pobres con un mínimo de esfuerzo. Luego, si los resultados de este análisis preliminar se muestran promisorios, adicionamos detalles a los cálculos y empleamos procedimientos computacionales más avanzados.
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Teoría de Proyecto Final
Es posible desarrollar una aproximación o método sistemático para el diseño del proceso, reduciendo el problema de diseño a una Jerarquía de Decisiones.
Una gran ventaja de esta aproximación al diseño es que permite calcular tamaños de equipos y estimar sus costos a medida que procedemos a través de los niveles en la jerarquía (métodos de estimación de costos).
Luego si la rentabilidad potencial se hace negativa en algún nivel, podemos buscar una alternativa de proceso o concluir el proyecto de diseño sin tener que obtener una conclusión completa del problema.
Otra ventaja del procedimiento surge del hecho de que, a medida que se toman decisiones acerca de la estructura del diagrama de flujo, en varios niveles, sabemos que si cambiamos esas decisiones se generan alternativas de proceso. Así, con un procedimiento de diseño sistemático para identificar alternativas, estamos mucho menos expuestos a ignorar algunas elecciones importantes.
El objetivo de un diseño conceptual es encontrar la mejor alternativa.
Jerarquía de Decisiones (Douglas)
0) Datos de entrada
Materias primas, mercado, etc.
1) Procesos Batch versus Procesos Continuos, y determinación del número de plantas
Teniendo en cuenta los siguientes factores:
- Capacidad o tamaño.
- Multipropósito.
- Operación.
- Control o seguimiento.
- Disponibilidad de equipamiento (hay operaciones que obligan a que el proceso se lleve a cabo de una forma u otra).
Los procesos batch presentan una estructura diferente a los continuos (ya que a menudo se llevan a cabo operaciones
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A
Purga de B y C
D
EB, C
A
Purga de B y C
D
EB, C
Teoría de Proyecto Final
múltiples en un mismo recipiente), y se describen en forma diferente según modelos matemáticos. En los procesos batch surge el tiempo como variable y son necesarias ecuaciones diferenciales para su resolución.
2) Estructura de entrada-salida del diagrama de flujo
Influyen:
- Materia prima.
> Purificación.
> Número de corrientes de entrada.
- Producto.
> Número de corrientes de salida.
> Reciclos de gas con y sin purga.
> Recuperación de subproductos o reciclo.
> Costos asociados a selectividad.
> Efluentes del reactor.
De esta manera podemos entender las variables de diseño que afectan los balances de masa totales.
Los balances de masa totales son un factor predominante en un diseño, ya que los costos de materia prima están en el rango de entre 33% y 85% de los costos totales del producto.
3) Estructura de reciclo del diagrama de flujo
Analiza cuál es el equipo corazón del proceso. Influye el sistema. Si se trata de sistemas gas-líquido, puede ser por ejemplo un reactor, o fermentador. Si se trata de sistemas sólido-líquido, puede ser por ejemplo un decantador, un sedimentador, un cristalizador, una centrífuga.
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A
Purga de B y C
D
EB, C
Reciclo de gas
Reciclo de A
A
Purga de B y C
D
EB, C
Reciclo de gas
Reciclo de A
Teoría de Proyecto Final
Se debe analizar:
- El número y tipo de equipos.
- El número de corrientes de reciclo.
- Exceso de reactivos (baja conversión).
- Operación del equipo (adiabático, isotérmico, etc.).
- Costo del reactor.
- Catalizador.
- Conversión limitada por el equilibrio.
- Rendimiento.
- Reactivo limitante.
Si se coloca un reciclo, se debe realizar una inversión, pero siempre y cuando no sea más caro que desechar lo que se recicla.
De esta manera se estudia una representación simple para estimar los caudales de reciclos y su efecto sobre los costos del reactor y de los equipos que impulsan el reciclo (como por ejemplo, compresores para el reciclo de gases).
Si la conversión de un producto es baja a la salida del reactor, se tienen las siguientes posibilidades:
- Aumentar el volumen del reactor, lo que implica un mayor costo del mismo.
- Considerar un buen sistema de separación para poder luego realizar el reciclo de la materia prima no reaccionada, lo que también implica un mayor costo.
4) Estructura general del sistema de separación
Se considera la especificación de la estructura general del sistema de separación antes que considerar las especificaciones de cualquiera de los sistemas por separado.
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ReactorA
Purga de B y C
D
E
B, CSeparadorde fases
Sistema derecuperación
de vapor
Sistema derecuperaciónde líquido
ReactorA
Purga de B y C
D
E
B, CSeparadorde fases
Sistema derecuperación
de vapor
Sistema derecuperaciónde líquido
Teoría de Proyecto Final
Se deben conocer los caudales de proceso para diseñar los sistemas de recuperación de vapor y separación de líquido.
a) Sistema de recuperación de vapor: se diseña antes que el de recuperación de líquido, porque las corrientes de salida de las operaciones del sistema de recuperación de vapor normalmente incluyen una corriente líquida que se suma al sistema de recuperación de líquido. Las operaciones del sistema de recuperación de vapor pueden ser, por ejemplo:
- Condensación (más barato).
- Absorción gas-líquido.
- Adsorción gas-sólido (caro).
- Procesos de membrana (más caro).
b) Sistemas de recuperación de líquido: puede tratarse, por ejemplo, de:
- Destilación ordinaria (volatilidades relativas mayores a 1,1). No sirve para elevados pesos moleculares, volatilidades relativas aproximadamente iguales a uno, o para presiones y temperaturas raras (- 10 ºC).
- Destilación azeotrópica.
- Destilación extractiva (agregado de un compuesto que modifica el factor de separación).
- Extracción líquido-líquido con solvente.
- Cristalización.
Secuencia de separación por columnas de destilación.
- El más liviano se recupera primero.
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Teoría de Proyecto Final
- Si se tiene una mezcla compleja, primero se trata de recuperar la mayoría de los componentes.
- La separación más difícil se deja para el final.
- Se privilegian los cortes 50-50.
5) Red de intercambio térmico
Se desarrollan métodos que minimicen los consumos de vapor y agua de enfriamiento. Uno de ellos es el método Pinch.
Para aplicar el análisis de integración energética, debemos conocer los caudales y composiciones de cada corriente de proceso.
Debido a que se necesita establecer casi todo el diagrama de flujo antes de poder diseñar el sistema de integración energética, y ya que esto adiciona la mayor complejidad al diagrama de flujo, consideremos el análisis de integración energética como la última etapa en el proceso de diseño.
6) Análisis de seguridad
7) Optimización
Selección del proceso de separación
El consumo de energía es a menudo uno de los parámetros más costosos en la Ingeniería Química.
El mayor porcentaje del consumo energético corresponde al calentamiento durante el proceso (energía directamente asociada a las reacciones químicas).
Al área de separación le corresponde el segundo lugar como consumidor de energía (evaporación, destilación, secado, etc.).
Por lo tanto, el proceso de separación más adecuado para lograr un dado resultado, debería considerar al mismo en el contexto del proceso global, incluyendo adecuación de materia prima, reacciones y además todos aquellos puntos de consumo de energía.
Diseño de procesos de separación en el contexto del proceso global
El intento de desarrollar una metodología para la selección del proceso de separación más conveniente será mucho más
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1 2 3 41 2 3 4
ReactorAlimentación
(reactivos)
ProductosSeparación
Reciclo de reactivos
Reactivos y
ProductosReactor
Alimentación
(reactivos)
ProductosSeparación
Reciclo de reactivos
Reactivos y
Productos
Teoría de Proyecto Final
efectivo si se tiene un panorama de la estructura global del diseño de procesos. Este comienza con el reactor el cual determina el proceso de separación.
El diseño del sistema de separación es posterior al diseño del reactor.
Con ambos problemas resueltos, el paso posterior corresponde a la concepción de la red de recuperación de calor. Esta última conduce a la adecuada selección de los servicios necesarios para satisfacer los requerimientos de la etapa anterior.
La jerarquía de decisiones descripta se puede representar por las capas del “diagrama de la cebolla”.
1) Reactor.
2) Sistema de separación y reciclo.
3) Red de recuperación de calor.
4) Servicios.
Existe una realimentación de información y de resultados entre las distintas capas o envolturas.
Sea una dada alimentación al reactor, para obtener productos. Como generalmente no se opera con 100% de conversión, la corriente de salida contiene productos y reactivos.
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Costo R
eacto
r
Costo T
otal
Conversión en el reactor
Conversión óptima
Costo Reciclo
Costo R
eacto
r
Costo T
otal
Conversión en el reactor
Conversión óptima
Costo Reciclo
Teoría de Proyecto Final
Este efluente es separado en productos y reactivos, los cuales se reciclan a la entrada del reactor.
La optimización de un sistema como este se lleva a cabo minimizando una función costo que en gran medida está ligada a la conversión del reactor, con el propósito de obtener el óptimo valor de ésta.
A mayor conversión en el reactor se incrementa su volumen y por ello aumenta el costo del reactor, pero simultáneamente la cantidad de alimentación no convertida que debe ser separada decrece y de aquí que el costo del reciclo decrece. Combinando ambos costos es posible encontrar la óptima conversión de trabajo del reactor.
Se debe tener en cuenta que el costo del reciclo involucra costos de separación y de la red de intercambio de energía. Parte de la red está asociada con el calentamiento o enfriamiento (reacción endotérmica o exotérmica, respectivamente) del reactor y parte está vinculada con el sistema de separación.
Ejemplo: destilación
Reboiler (consumo de vapor).
Condensador (consumo de agua de enfriamiento).
Se puede observar que existe realimentación entre las diferentes capas. Esto se puede complicar aún más por la
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Teoría de Proyecto Final
aparición, no sólo de impurezas en la alimentación, sino también de subproductos de reacción.
Todo esto se puede complicar tanto como uno mismo se lo proponga. Es por ello que un modo simplificado de resolver el problema consiste en la búsqueda de la mejor estructura básica del proceso en cada etapa o capa de la cebolla. Teniendo en cuenta que la mejor (es decir la resolución rigurosa del problema) sólo se puede obtener una vez que los diseños resultantes del recorrido interactivo de todas las capas se han calculado.
Factores importantes en la selección de un proceso de separación
En general, dependen de las características particulares de la mezcla original a separar. Existen reglas basadas en la experiencia que permiten a partir de la consideración de las mismas, identificar un cierto grupo de procesos de separación a los cuales considerar como fuertes candidatos para resolver las tareas planteadas.
Factibilidad
El proceso de separación bajo consideración debe tener el potencial de dar el resultado deseado. A menudo aplicando este factor es posible descartar algunos procesos de antemano. Por ejemplo, si se desea separar un par de compuestos orgánicos no iónicos, esto no podrá realizarse (no será factible) mediante intercambio iónico o por separación magnética o electroforesis.
A veces la factibilidad se vincula con condiciones externas de proceso (altos o bajos valores de temperatura, presión) lo cual hace prohibitivo el costo de las mismas. Por ejemplo, la separación del cloruro de sodio y de potasio por destilación o evaporación requiere elevadas temperaturas y presiones muy bajas debido a la baja volatilidad de estas sustancias.
Dada una mezcla a separar es necesario considerar que cada componente debe aparecer en el producto adecuado y esto depende del tipo de separación. Por ejemplo, separar aromáticos de hidrocarburos saturados en un amplio rango de pesos moleculares. Probablemente la separación no se pueda concretar mediante destilación simple debido a las cercanías de los puntos de ebullición entre los compuestos. Por medio de la destilación extractiva, la volatilidad relativa entre ellos se torna creciente y es posible por lo menos una separación por bandas en lo que a número de átomos de carbono se refiere. En la extracción líquido-líquido, el solvente de la extracción es mucho
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Teoría de Proyecto Final
más selectivo por lo tanto, los factores de separación relativos crecen aún más, pudiéndose lograr una separación más fina.
Valor del producto y capacidad del proceso
Muchos procesos de separación que son adecuados para sustancias de alto valor a menudo se descartan cuando el producto en consideración es de bajo valor. A medida que se reduce el valor económico del producto, cobran mayor importancia aquellos procesos con bajo consumo de energía y costo unitario del agente separador agregado. También se debe considerar la capacidad de la planta en la selección del adecuado proceso de separación, ya que por ejemplo, cromatografía o espectrometría no son adecuados para altas capacidades de planta.
Preservación del producto
A menudo la premisa de no dañar al producto es la consideración de mayor peso en la selección de un proceso de separación. Por ejemplo en los alimentos debe evitarse el agregado de materias como agentes de separación, con el propósito de evitar contaminaciones en el producto final.
A veces es necesario evitar el daño térmico de un producto por exposición a altas temperaturas que producen desnaturalización, decoloración, destrucción de proteínas, etc. Ello conduce generalmente a operar bajo vacío y de ese modo tener el reboiler del destilador con la temperatura más baja posible. De igual manera se emplean evaporadores y reboilers de diseño especial para minimizar el tiempo de exposición a una dada temperatura.
Clases de procesos de separación
Clasificación de procesos multietapas
1) Potencialmente reversibles: cada etapa puede pensarse como un proceso reversible. No hay agregado de materia como agente separador, pero si energía. Ejemplo: destilación ordinaria, cristalización.
2) Parcialmente reversibles: similar al caso anterior, excepto en aquellas etapas correspondientes al agregado de materia como agente separador. Ejemplo: destilación extractiva, absorción.
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Teoría de Proyecto Final
3) Irreversibles: cada etapa presenta agregado de materia y/o energía y por ello una alta irreversibilidad. Ejemplo: difusión gaseosa, separación por membrana.
Desde el punto de vista del consumo energético, a medida que se incorpora irreversibilidad, el consumo de energía es mayor (mayor costo de operación).
Siempre ante un eventual proceso de separación, se privilegia en primer término la destilación ordinaria.
Desde el punto de vista de los factores de separación, a mayor irreversibilidad, mayor es el factor de separación.
Esas dos consideraciones deben tenerse en cuenta conjuntamente a la hora de seleccionar alternativas adecuadas para una dada separación.
Otra consideración que permite comparar grupos de diferentes procesos de separación se refiere al estado de agregación de la fase separativa que debe manejarse. Los procesos continuos que manejan fases fluidas se ven privilegiados frente a aquellos que operan con fases sólidas, debido a la mayor dificultad de estos últimos en lo que a movimiento de materiales se refiere. Para resolver el problema generalmente se prefieren configuraciones de lecho fijo, pero debe proveerse una posterior regeneración del lecho, lo cual hace que el proceso no sea totalmente continuo.
Es necesario tener en cuenta la eventual factibilidad de instrumentar en la práctica una cascada multietapa en un dado proceso de separación. Algunos de ellos requieren agregado del agente de separación en cada etapa y además cada una de estas necesita ubicarse en un recipiente separado. Ejemplo: procesos gobernados por velocidad tales como separación por membrana, difusión gaseosa, difusión térmica, etc.
En cambio, la destilación en cualquiera de sus formas, provee multietapas en un solo recipiente y sin complicaciones constructivas. También es el caso de la cromatografía (es posible obtener mayor número de unidades de transferencia con la construcción de columnas más largas). La cromatografía se emplea cuando el factor de separación tiene valores cercanos a la unidad y cuando el producto final tiene altos requerimientos de pureza.
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Teoría de Proyecto Final
La comparación entre las diferentes clases de procesos de separación conduce rápidamente a privilegiar la destilación ordinaria frente a cualquier otro eventual proceso de separación.
La destilación ordinaria emplea como agente de separación “energía”. Pone en contacto dos fases que idealmente llegarían al equilibrio. Esto lo favorece desde el punto de vista del consumo energético, pero también por la factibilidad de instrumentar la cascada, además se manejan gases fluidos y no sólidos, y finalmente no se agrega materia como agente de separación, dejando de lado posibles contaminaciones en el producto. Los factores que operan contra la destilación están dados por daños térmicos del producto, coeficientes de separación cercanos a la unidad, necesidad de realizar una separación por componente (y no por banda), requerimientos de condiciones extremas de temperatura y/o presión. Cuando se requieren muy bajas presiones (alto vacío) la alternativa conveniente es la extracción líquido-líquido. En el caso de tener que emplearse refrigeración en alto grado, la opción es la operación de adsorción.
Factor de separación y propiedades moleculares
El factor de separación refleja diferencias entre propiedades macroscópicas de las especies a separar. Estas a su vez resultan de desigualdades en propiedades atribuibles a las mismas moléculas (propiedades moleculares).
- El peso molecular está vinculado con la temperatura de ebullición (a mayor peso molecular, mayor temperatura de ebullición) y se lo tiene en cuenta en operaciones tales como ultracentrifugación y difusión gaseosa, destilación, etc.
- El volumen molecular es un factor prioritario en diálisis y cristalización (también incide la forma molecular).
- El momento dipolar es una medida de la separación de las cargas dentro de la molécula. Comparando moléculas polares con no polares, a igualdad de tamaño, las polares interactúan fuertemente con otras moléculas. En Consecuencia una sustancia polar tiene una presión de vapor menor que otra no polar de aproximadamente el mismo peso molecular (porque le cuesta más vaporizarse). También sustancias polares se disuelven más rápidamente en solventes polares.
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Teoría de Proyecto Final
- La polarización es la tendencia a inducir un dipolo en una molécula dada debido a la presencia de una molécula dipolar. Esta propiedad depende del tamaño de la molécula y de la movilidad de los electrones en los diferentes tipos de enlaces. Una molécula más polarizable tendrá una menor presión de vapor y a su vez una mayor solubilidad en un solvente polar. Por ejemplo, el dietilenglicol (solvente polar) disuelve perfectamente aromáticos frente a olefinas y parafinas y por ello se lo utiliza para recuperarlos desde mezclas de hidrocarburos mediante extracción líquido-líquido.
- La carga molecular se refiere a la carga neta de las moléculas en soluciones líquidas o gases ionizados. La misma también depende del pH de la solución y en consecuencia esto permite aplicar, por ejemplo, electroforesis para llevar a cabo una separación.
Experiencia
El desarrollo de un nuevo proceso de separación en principio requiere investigación y un adecuado chequeo en escala de laboratorio. La instalación de la planta industrial involucrará una gran dosis de incertidumbre en el diseño y confiabilidad de la misma. Por lo tanto, existe una tendencia entre los diseñadores a seleccionar aquellas separaciones más conocidas. De todos modos, los nuevos procesos son considerados en la medida en que el mayor beneficio que implica supere los costos adicionales de testeo, desarrollo e incertidumbre.
Generación de alternativas para efectuar una tarea de separación específica
1) Técnica evolutiva: existe un conjunto de técnicas sistemáticas en lo que se refiere a la búsqueda de la mejor secuencia de procesos de separación, para llevar a cabo una dada separación, partiendo de la mezcla original. Entre ellas se pueden mencionar:
- Análisis morfológico (técnica sistemática).
- Análisis funcional (técnica sistemática).
- Técnicas evolutivas.
En general el problema que se plantea consiste en obtener una secuencia de productos conocidos a partir de una mezcla original dada. Para hacerlo existen diferentes alternativas y es necesario seleccionar finalmente la mejor basándose en
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Teoría de Proyecto Final
algún criterio económico que generalmente implica mínimo costo.
2) Resolución del problema: consta de dos partes:
a) Se crea una posible estructura inicial mediante la aplicación de reglas heurísticas (basadas en el conocimiento general del comportamiento de las unidades y secuencias de separación).
b) La estructura inicial se modifica suavemente mediante la aplicación de reglas evolutivas las cuales cuestionan la validez de las heurísticas para el caso particular bajo consideración.
De las modificaciones resultantes de la etapa final se van seleccionando las mejores en base a un criterio de mínimo costo.
Creación de la estructura inicial
Es una etapa crítica, puesto que la estructura inicial es la base de esas sucesivas modificaciones por aplicación de reglas evolutivas. Si la misma está muy alejada del óptimo, serán necesarias muchas iteraciones hasta la convergencia final.
Las reglas heurísticas proporcionan una “buena” estructura inicial, las cuales por aplicación de las reglas evolutivas conducen a “la mejor” estructura final. Se considera separación simple:
- Se divide en dos corrientes: tope y fondo del separador.
- La alimentación se visualiza con una lista de especies ordenadas según valores decrecientes del factor de separación.
- La separación se define especificando dos compuestos adyacentes de la lista: clave liviano (LK) y clave pesado (HK).
- El separador Sharp suministra el compuesto clave liviano y todos los más livianos que él por el tope, y el compuesto clave pesado y todos los más pesados que él por el fondo.
Reglas heurísticas
Regla heurística 0: Sacarse de encima lo indeseable (corrosivo, explosivo, venenoso, etc.).
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Teoría de Proyecto Final
Regla heurística 1: Privilegiar el más reducido set de productos. El set de productos es un mapeo de componentes identificados con n (diferentes cortes o productos puros).
Regla heurística 2: Privilegiar la destilación. Se debe probar primero con los procesos potencialmente reversibles, luego con los parcialmente reversibles y por último con los irreversibles. Dentro del primer grupo, comenzar con la destilación ordinaria. Dentro del segundo grupo, comenzar con la cristalización. Este heurístico no resulta sencillo, debido a que el efecto de procesos de separación es muy amplio.
Regla heurística 3: La separación más fácil se debe realizar en primer término.
1) Favorecer los mayores valores de factores de separación entre los compuestos claves liviano respecto a los pesados.
2) Privilegiar la separación gruesa de claves.
3) Favorecer columnas balanceadas.
4) Favorecer el producto con menos destilado.
Cuando se contradicen los puntos anteriores, se utiliza un valor que es proporcional a la dificultad de separación. El coeficiente de dificultad de separación (CDS):
Tiene en cuenta las Reglas 1, 2 y 4, y penaliza las columnas no balanceadas (Regla 3).
Regla heurística 4: Un método de separación que emplea materia como agente de separación no se lo puede usar para recuperar otro solvente.
Regla heurística 5: Una separación donde se verifique que el coeficiente de separación mínimo es mayor que el coeficiente entre compuestos claves pesado y liviano, no se la tiene en cuenta.
Las siguientes reglas heurísticas son para destilación:
Regla heurística 6: La presión de operación debe ser la más cercana posible a la atmosférica.
Regla heurística 7: Establecer como fracciones de separación de los compuestos claves, aquellas especificadas por el usuario.
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Teoría de Proyecto Final
Regla heurística 8: Establecer como relación de reflujo para columnas un número igual a 1,3 veces el reflujo mínimo.
Una vez obtenida la “estructura inicial”, la “mejor” estructura se obtiene por evolución, se optimizan las condiciones operativas. Con heurísticos se obtiene una “buena” estructura inicial, y para obtener la mejor se usa la segunda etapa del proceso de síntesis por métodos evolutivos llamada “evolución de las estructuras”, donde se modifican la estructura inicial creada por los heurísticos mediante reglas evolutivas. Estas cuestionan la validez de los heurísticos. Cuando las suposiciones o heurísticos no son apropiados se toman medidas correctivas.
Evolución de las estructuras
Regla evolutiva 1 (cuestiona la regla heurística 1): De la heurística 1, favorece el más reducido set de productos, pero si se debe agregar materia como agente de separación, obliga a la posterior recuperación y reciclo de ese agente. Con la evolutiva 1 se puede explorar la posibilidad de hacer, por ejemplo, dos destilaciones. De ese modo existe la posibilidad de desarrollar una nueva estructura. Luego, utilizando criterios económicos, se selecciona la alternativa más adecuada.
Regla evolutiva 2: Examinar o tener en cuenta estructuras en
base al valor de coeficiente de dificultad de separación (CDS) y de las necesidades de refrigeración. El coeficiente de dificultad de separación es una medida del grado de la separación para cada posible división de una corriente de proceso. Esta evaluación no considera la relación de reflujo ni la presión de operación.
Se tienen en cuenta las siguientes reglas:
1) Considerar todos aquellos diseños que no difieran inferiormente en más del 10% del valor del coeficiente de dificultad de separación como alternativa.
2) El costo de refrigeración es alto y el coeficiente de dificultad de separación no lo tiene en cuenta. Por ello cuando una separación requiere refrigeración se la marca, y durante la evolución para estas separaciones marcadas se consideran otras alternativas.
Regla evolutiva 3 (cuestiona la validez de la regla heurística 2): Cada vez que aparece la destilación, habrá que probar la operación que aparezca como alternativa económica más cercana en relación de las condiciones del proceso.
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Teoría de Proyecto Final
Regla evolutiva 4: examinar las proximidades para eventualmente suprimir la remoción del agente de separación. Explorar la estructura en la cual se elimina la recuperación inmediata posterior del solvente.
Regla evolutiva 5 (cuestiona la regla heurística 3): La estructura original se planteó para que la separación sea la más fácil, esto puede conducir a que la etapa siguiente sea muy dificultosa, y el costo será mayor que si se hubiesen realizado dos etapas consecutivas moderadamente difíciles.
Operación: recorrer el flow sheet y cuando se encuentra una separación fácil seguida de una difícil, se recrea un nuevo flow sheet y se aumenta la dificultad de la primera.
Condiciones: costo de la unidad sucesora es mayor o igual a 5 veces el costo de la unidad considerada.
Estrategias de aplicación de las reglas
1) Se aplican las reglas heurísticas generando una estructura inicial.
2) Se aplican las reglas evolutivas generando la “mejor” estructura del problema.
3) Se compara y se elige la estructura que posee menor costo. Se vuelve al punto 2.
4) El fin de la evolución se lleva a cabo cuando no son posibles las modificaciones.
Cada regla evolutiva se va aplicando en el sentido del flujo de los materiales hasta recorrer todo el flow sheet. Cuando se sugieren unas modificaciones en algún punto de la estructura, la estructura aguas abajo es destruida y se reemplaza por una nueva repitiendo la primera fase del proceso. La estructura aguas arriba no se modifica. Se selecciona de las dos estructuras generadas (la vieja y la recién generada) la mejor, según el criterio económico y se continúa con las siguientes reglas evolutivas.
Esquemáticamente:
- Aplicaciones:
> Redes de intercambio calórico.
> Caminos de reacción.
> Trenes de separación.
> Síntesis de control.
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Teoría de Proyecto Final
> Diseño de proceso.
- Etapas de una toma de decisión:
> Definir los objetivos.
> Definir los criterios de evaluación.
> Elegir la tecnología.
> “Descomponer” el problema.
> Llevar a cabo las tareas individuales.
- Métodos de síntesis (por Método Ingenieril):
> Bosquejo de la solución posible.
> Descomposición del proceso por niveles de jerarquía y análisis de los costos.
> Elaboración de hipótesis.
- Hipótesis:
> Fijan cuales son las partes del flow más importantes, fijan el know-how.
> Fijan parámetros y/o variables que permiten la optimización de cada alternativa.
> Fijan las interconexiones, permitiendo la optimización así como el seguimiento y control del proceso.
Síntesis de redes de intercambio
El diseño de procesos usualmente involucra la optimización de operaciones unitarias individuales, con un esfuerzo pequeño gestado en la integración óptima de todos los procesos y sistemas. La integración energética involucra conexiones entre reboilers, condensadores, intercambiadores de calor etc.
El objetivo es aprovechar al máximo todas las corrientes existentes, es decir integrar las corrientes frías y calientes de todos los equipos de intercambio de calor y así determinar la “cadena óptima”. De esta manera se persigue:
- Disminuir los costos operativos, empleando servicios mínimos (vapor, agua de enfriamiento).
- Disminuir los costos o inversión fija (menor costo de capital), utilizando el mínimo número de unidades de intercambio de calor.
Estas opciones sugieren la presencia de un punto óptimo.
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Teoría de Proyecto Final
Para el diseño de la red de intercambio se debe conocer:
- Diagramas de corrientes frías y calientes (caudales, temperaturas, composiciones, etc.).
- Servicios auxiliares disponibles: vapor, agua de enfriamiento, nivel de temperatura, etc.
Se busca “aparear” (integrar) corrientes frías y calientes. Para que esto sea posible, las temperaturas deben ser compatibles.
donde
donde es la ordenada al origen y es la pendiente.
Mientras mayor es , menor será la pendiente, y viceversa.
Las corrientes que se combinarán deben cumplir que:
- La corriente caliente se encuentra encima de la fría, para poder entregar calor.
- La diferencia de temperaturas es mayor que una diferencia de temperaturas mínima, para poder conseguir fuerza impulsora.
Especificación del problema
El problema de la red de intercambio se define por una serie de corrientes de procesos frías y calientes que requieren el enfriamiento de las corrientes calientes y el calentamiento de las corrientes frías.
Los cambios de temperatura requeridos pueden lograrse mediante intercambios entre corrientes de proceso y/o calentadores y enfriadores que emplean servicios.
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Teoría de Proyecto Final
La tarea de diseño consiste en identificar la red óptima de intercambiadores, calentadores y enfriadores con respecto a los costos de capital (inversión fija en equipos) y de operación anual (costo de los servicios). La carga de calor máxima manejada por una unidad particular de transferencia de calor, puede estar restringida por la mínima diferencia de temperatura admisible entre las corrientes fría y caliente , llamada aproach.
Los métodos para solucionar este problema involucran dos fases:
1) Análisis de datos : genera objetivos que corresponden a las características de performance de la red económica óptima.
2) Diseño de la red .
Análisis de datos
El costo de una red de intercambio, se expresa en términos de capital anual y costos de operación.
- Costos de capital: dependen del número y tamaño de las unidades de transferencia de calor (intercambiadores, enfriadores, calentadores).
- Costos de operación: dependen de la cantidad de servicios utilizados (para calor y frío).
Los objetivos son bases para la optimización económica de redes de intercambio, basada en la minimización del uso de servicios y número de unidades de transferencia de calor.
Visualización del problema de recuperación de calor
Para el balance de energía, la diferencia entre las entalpías de las corrientes de proceso fría y caliente debe ser igual a la diferencia entre los flujos de calor de los servicios.
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QH
QC
H=QC - QH
Corrientes calientes (deben enfriarse)
Corrientes frías (deben calentarse)
Fuente fría (agua)
Fuente caliente (vapor)
QH
QC
H=QC - QH
Corrientes calientes (deben enfriarse)
Corrientes frías (deben calentarse)
Fuente fría (agua)
Fuente caliente (vapor)
Teoría de Proyecto Final
donde QC es el calor cedido a la fuente fría.QH es el calor aportado por la fuente caliente.
donde H es el cambio global de entalpía de las corrientes de proceso, que es constante. Por lo tanto, si aumenta QC, debe aumentar QH.
Cualquier economía de los servicios de calor debe conducir a una economía en los servicios de frío. El incentivo es un menor uso de servicios.
Requerimientos mínimos de servicios
Algoritmo para predecir requerimientos mínimos de servicios:
Paso 1: Ingreso de datos.
Restricciones:
- Las corrientes tienen .
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Teoría de Proyecto Final
- Adopción de ΔTmín para que se asegure el intercambio de calor. Ejemplo: 10 ºC.
- No existen razones de seguridad o de Layout de planta para no aparear cualquier par de corrientes.
- Existe sólo una fuente caliente (vapor en el extremo caliente del problema) y solo una fría (agua en el extremo frío del problema).
Paso 2: Intervalos de temperatura.
Cualquier problema de red de intercambio, cubre un rango de temperatura que está limitado por las temperaturas más calientes y más frías de las corrientes de proceso. Este rango de temperatura se divide en un cierto número de intervalos de temperatura.
Conociendo las temperaturas de ingreso y egreso, estas se ajustan con el ΔTmín para asegurar el intercambio de calor.
TC – Tmín o TF + Tmín
La definición del intevalo de temperaturas asegura que una fuerza impulsora mínima ΔTmín, se mantiene en todos los puntos.
El orden se realiza en forma decreciente de temperatura. Por ejemplo:
Corriente №
Tipo de corrient
e
Tentrada Tsalida AjustadasTC – Tmín
Orden
Tentrada Tsalida
1 Fría 120 120 T6
235 235 T3
2 Caliente 260 250 T1
160 150 T5
3 Fría 180 180 T4
240 240 T2
4 Caliente 250 240 T2
130 120 T6
El rango total de temperaturas es de 250 a 120 ºC, y se divide en el número de intervalos de temperatura resultantes.
El QH se suministra en el primer intervalo y el QC parte del último intervalo.
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Teoría de Proyecto Final
Temperaturas
QH QHAjustadas
T1 = 250 ºC 1 = 10
T2 = 240 ºC 2 = 5
T3 = 235 ºC 3 = 55
T4 = 180 ºC 4 = 30
T5 = 150 ºC 5 = 30
T6 = 120 ºCQC QC 1 2 3 4
Corriente
Evolución de Temperatura
Qcorriente
1 120 → 235 2 pendiente = 0,5 2302 250 → 150 3 pendiente = 0,33 3003 180 → 240 4 pendiente = 0,25 2404 240 → 120 1,5 pendiente = 0,66 180
Ya que QH y QC están relacionadas por el balance de entalpías de las corrientes de proceso en su totalidad, los flujos de calor que pasan de un intervalo a otro, Qi, están relacionados por los balances de calor del intervalo.
Dados los intervalos de temperatura y los balances de calor por intervalo, es posible calcular todos los flujos de calor intermedios (y finalmente QC) para un dado valor de QH.
Paso 3: Balances de calor por intervalo.
Balance de energía de todas las corrientes que existen entre Ti y Ti+1.
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Teoría de Proyecto Final
Paso 4: Cascada de calentamiento.
Se asume QH = 0 y se identifican los mayores valores negativos de la cascada.
Se elimina el calor negativo más grande de la cascada adicionando calor proveniente de un servicio caliente externo en el primer intervalo.
C1 C2
T1 = 250 ºC↓QH
0+50
50Mínimo requerimiento de calor.
1 = 30↓Q1
T2 = 240 ºC 30+50
802 = 10↓Q2T3 = 235 ºC 32,5
+5082,53 = 10
↓Q3T4 = 180 ºC -50+50
04 = 10↓Q4T5 = 150 ºC 25
+50755 = 10
↓QC
T6 = 120 ºC10 +50
60Mínimo requerimiento de servicio de frío.
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Teoría de Proyecto Final
Entre los intervalos 3 y 4 el flujo de calor es negativo. Esto es una condición inaceptable, ya que la negatividad implica que los flujos de calor son contrarios al gradiente de temperatura.
Para remediar esta situación, se suministra desde una fuente externa un extra de 50 unidades de calor. Los flujos de calor resultantes son todos “NO” negativos.
De la columna C2 de la tabla, se extrae la siguiente información.
- El mínimo calor suministrado a partir de una fuente externa será el necesario para que los flujos de calor sean practicables (50 unidades).
- El calor mínimo que debe ser retirado por una fuente externa fría (60 unidades).
- Hay un punto en el rango de temperatura que tiene “flujo de calor cero”, denominado punto “pinch”.
Descomposición del problema
Restricciones que considera el “pinch”
- No se transfiere calor a través del pinch: cualquier flujo de calor a través del pinch inplica agregar la misma cantidad de calor en cualquier otro flujo en el problema, a fin de mantener los balances de calor del intervalo. De este modo, una transferencia de X unidades de calor a través del pinch debe resultar en un incremento de los requerimientos de servicios (QH y QC) en X unidades cada uno: (QH + X) y (QC + X).
- No se utilizan servicios de enfriamiento arriba del pinch: arriba del pinch los sistemas que tienen un flujo de calor minimizado no necesitan que se retire ningún calor. Si decidimos retirar calor con un servicio de enfriamiento, debemos proveer la misma cantidad de calor a través de un servicio de calefacción. De este modo, X unidades de servicio de frío usadas arriba del pinch, resultan en X unidades adicionales de uso de servicio caliente.
- No se utiliza servicio de calefacción abajo del pinch: abajo del pinch los sistemas que tienen flujo de calor minimizado no absorben ningún calor. Cualquier calor suministrado a través de un servicio de calefacción X, debe por lo tanto
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QC QH Corrientes Calientes
Corrientes Frías
Intercambiador +
Enfriador
Intercambiador +
Calentador
QC QH Corrientes Calientes
Corrientes Frías
Intercambiador +
Enfriador
Intercambiador +
Calentador
Teoría de Proyecto Final
conducir a un requerimiento de X unidades de servicio de frío, por encima del mínimo necesario.
Esto nos permite dividir el problema en el pinch y diseñar a las partes como “arriba del pinch” y “abajo del pinch”, separadamente.
Número de unidades mínimas
Habiendo establecido los requerimientos mínimos de servicio, hay luego una oportunidad de minimizar el costo de capital, minimizando el número de unidades de equipos de transferencia de calor.
El teorema de Euler puede ser aplicado para el problema y predecir el mínimo número de unidades de transferencia. La ecuación fundamental que surge de este teorema depende solamente del número de corrientes de proceso y los niveles de servicios, y no del proceso o datos de servicios (como temperatura, capacidad calorífica, etc.).
donde es el número mínimo de unidades de transferencia de proceso por servicio.
es el número total de corrientes de proceso y servicios de calefacción y enfriamiento.
Uno de los corolarios de esta ecuación es que si cada compañero en una red “agota” el servicio utilizado (quita o incorpora todo el calor posible), la red será una con un número de unidades mínimo. Es decir, agotar una corriente en cada intercambio, produce una red con un número mínimo de unidades de intercambio de calor.
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Teoría de Proyecto Final
Diseño de la red
El procedimiento de diseño de la red se ha desarrollado para ser aplicado normalmente de modo que el criterio ingenieril pueda influir en el desarrollo de diseño.
El procedimiento de diseño involucra cuatro pasos:
- Descomposición del problema.
- Opciones de intercambio de calor y restricciones del diseño.
- Corrientes “ticking off”.
- Emplazamiento de los servicios.
Descomposición del problema
El pinch divide el problema en dos. Arriba del pinch, el diseño consiste sólo en intercambiadores y calentadores. Abajo del pinch, el diseño comprende sólo intercambiadores y enfriadores. Si tenemos separado el diseño de las partes, debemos aplicar la ecuación para minimizar el número de unidades de cada parte.
El número de unidades para el problema en su conjunto es:
donde es el número de unidades mínimo arriba del pinch.
es el número de unidades mínimo abajo del pinch.
Opciones de intercambio de calor y restricciones del diseño
Las opciones de intercambio de calor son identificadas sobre la base de la factibilidad de temperatura. Las temperaturas de las corrientes fría y caliente deben diferir en por lo menos una diferencia mínima de temperatura. Esta restricción será satisfecha en los distintos pares de corrientes, pero inmediatamente abajo y arriba del pinch el problema es complicado, dado que las fuerzas impulsoras se aproximan a la diferencia mínima de temperatura y las opciones de las corrientes que pueden intercambiar se limitan.
Algunas veces existe sólo una opción de diseño en el pinch, una “pareja esencial”. A menos que se adopte dicha pareja de
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Teoría de Proyecto Final
corrientes, el diseño resultante implicará transferencia de calor a través del pinch, por lo que se creará un incremento de los servicios usados.
Por esta razón, el diseño de cada parte debe comenzar en el pinch y luego ir moviéndose desde el pinch en ambas direcciones.
Condicionamientos del diseño:
- Aprovechamiento de corrientes: es muy relevante el aprovechamiento adyacente al pinch, ya que en sus proximidades la diferencia de temperaturas tiende a la diferencia de temperaturas mínima.
- Ocasionalmente las “parejas esenciales” involucran corrientes divididas (cuando comparo m·cpcaliente con m·cpfrío, obtengo que el aprovechamiento no sería posible porque T < Tmín). Aquí el ingeniero compara los costos y problemas de controlabilidad de corrientes divididas con el costo de utilizar un requerimiento de servicio mayor que el mínimo. El ingeniero elige dividir la corriente o no.
- En otras situaciones, una “pareja esencial” puede no estar permitida, por ejemplo, por razones de seguridad. El ingeniero debe tomar una decisión acerca de si acepta el incremento de consumo de energía o si se sobrepone a él, por ejemplo usando un intermediario para transferir calor, como un aceite caliente.
Corrientes “Ticking off”
La carga de cada intercambiador, calentador o enfriador elegido se fija siguiendo la regla “ticking off”.
Si una pareja deja sin agotar una corriente, el diseño resultante siempre tendrá un número de unidades mayor que el mínimo. Si es necesario una división para agotar las corrientes, el ingeniero tiene otra opción a considerar: el costo de división de corrientes versus el costo de utilizar un número de unidades superior al mínimo.
Emplazamiento de los servicios
El emplazamiento de los servicios de calefacción y enfriamiento en una red, está estrechamente relacionado con el emplazamiento de los intercambiadores.
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Teoría de Proyecto Final
Ejemplo
Dónde está el pinch:
180 ºC para las corrientes frías.190 ºC para las corrientes calientes.
Para mantener la diferencia de temperaturas mínima cerca del pinch.
Q Pinch Q
210 260 ºC m·cp = 3 190 ºC 190 ºC 160 ºC90
90 250 ºC m·cp = 1,5 190 ºC 190 ºC 130 ºC90
110235 ºC m·cp = 2 180 ºC 180 ºC 120 ºC 120
240240 ºC m·cp = 4 180 ºC
QH = 50Umín = 4
QH = 60Umín = 3
Los objetivos son el mínimo uso de servicios, que para nuestro caso corresponde a QH = 50 y QC = 60, y el mínimo número de unidades, que según el teorema de Euler es Umín = 7.
150
T < Tmín
Tmín
Pendiente =0,33
Pendiente =
0,5
Pinch
180 ºC
190 ºC
235 ºC
260 ºC
T < Tmín
Tmín
Pendiente =0,33
Pendiente =
0,5
Pinch
180 ºC
190 ºC
235 ºC
260 ºC
H
H
Teoría de Proyecto Final
Arriba del pinch
Ya que no se usan servicios de enfriamiento arriba del pinch, las corrientes y deben ser enfriadas a 190 ºC por corrientes de proceso. Las corrientes y están disponibles a 180 ºC. Por lo tanto, hay 2 opciones de diseño:
La regla general para que el intercambio inmediatamente arriba del pinch sea factible es que la corriente caliente tenga mayor pendiente, lo que es equivalente a que arriba del pinch (m·cpfrío) > (m·cpcaliente).
Por lo tanto, se puede observar que no conviene el intercambio entre y , sino entre y .
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Pendien
te =0,6
6
Pendiente =
0,5
Pinch
235 ºC
250 ºC
Pendien
te =0,6
6
Pendiente =
0,5
Pinch
235 ºC
250 ºC
Teoría de Proyecto Final
La corriente le cede a la un calor Q = 90 y se agota. O sea que la corriente aumenta su temperatura hasta
por lo que para que la corriente llegue a 235 ºC, se debe suministrar desde una fuente externa (vapor) un QH.
En tanto, la corriente necesita 240 unidades de calor para pasar de 180 ºC a 240 ºC, y la corriente le cede 210, agotándose.
Es decir, agotamos la corriente y calentamos la corriente hasta 232,5 ºC. La corriente queda en esta temperatura, y por lo tanto para llevarla a 240 ºC se necesita un calor aportado por un servicio (QH).
Se debe hacer notar que en este caso, arriba del pinch tenemos 4 corrientes y un servicio de vapor, por lo que
que coincide con lo calculado anteriormente, y además el servicio de calefacción reporta un total de QH = 50.
152
Pendien
te =0,6
6
Pendiente =
0,5
Pinch
180 ºC
190 ºC
T < Tmín
Pendien
te =0,6
6
Pendiente =
0,5
Pinch
180 ºC
190 ºC
T < Tmín
H
H Pinch
Teoría de Proyecto Final
Abajo del pinch
La corriente debe ser llevada a 180 ºC por intercambio con la corriente 2 o 4. El pinch está ahora en la punta caliente de cualquier intercambio propuesto y la desigualdad de m·cp debe ser invertida.
Por lo tanto, la regla para la factibilidad de intercambio inmediatamente abajo del pinch es (m·cpcaliente) > (m·cpfrío). Es decir que inmediatamente abajo del pinch la pendiente de la corriente caliente debe ser menor que la de la corriente fría.
La corriente , para ir de 120 ºC a 180 ºC, necesita recibir un calor Q = 120, pero al intercambiar calor con la corriente , ésta le cede:
153
Pendiente =0,33
Pendiente =
0,5
Pinch
120 ºC
160 ºC
180 ºC
190 ºC
Pendiente =0,33
Pendiente =
0,5
Pinch
120 ºC
160 ºC
180 ºC
190 ºC
Teoría de Proyecto Final
y de esa forma la corriente se agota, y por lo tanto la corriente alcanza una temperatura de:
Luego, se debe tener en cuenta el calentamiento de la corriente desde 165 ºC hasta 180 ºC, para lo cual como en esta zona no existen calentadores, esto se debe realizar mediante intercambio con la corriente . Este intercambio ahora es factible, porque nos encontramos lejos del pinch y las fuerzas impulsoras se amplían.
El calor necesario para que la corriente evolucione de 165 ºC a 180 ºC es:
La corriente entrega Q = 30 a la corriente , que completa así su evolución. La corriente alcanza la siguiente temperatura.
Luego desde 170 ºC, la corriente debe enfriarse hasta 130 ºC, y para ello se aplica una fuerza externa de enfriamiento, la cual deberá evacuar un calor:
Para el ejemplo analizado, la red pude representarse de la siguiente manera:
Q Pinch Q
210 260 ºC 190 ºC 190 ºC 160 ºC90
90 250 ºC 190 ºC 190 ºC 60 130 ºC90
110235 ºC 20 180 ºC 180 ºC 120 ºC 120
240240 ºC 30 180 ºC
154
H
H
C
Teoría de Proyecto Final
Análisis Pinch (Extraído de Wikipedia)
El análisis pinch (en inglés Pinch Analysis, o literalmente, análisis de “pellizco”), también llamado método pinch de diseño de procesos o tecnología pinch, es una metodología para optimizar la recuperación energética en un proceso químico industrial, minimizando la inversión de capital.
Como fue conceptualizado inicialmente a finales de la década de 1970 por Linnhoff y Vredeveld, este análisis cuantifica los servicios que existen en una planta industrial (vapor, agua, y en general los servicios de calentamiento y enfriamiento), y los analiza frente a las necesidades de intercambio de calor de la planta.
A través de un diseño correcto de la red de intercambiadores de calor, el análisis pinch indica de qué 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.
El procedimiento incluye diferentes pasos. Inicialmente se determina la temperatura Pinch y el requerimiento mínimo de enfriamiento y calentamiento estableciendo las curvas compuestas o la tabla de problemas. El diseño de la red de intercambiadores de calor permite situar los intercambiadores dentro del proceso.
La metodología Pinch tiene las siguientes ventajas:
- Es una metodología sistemática para el diseño integrado de plantas de proceso
- Identifica el mínimo consumo de energía necesario
- Permite considerar diferentes opciones de diseño
- Considera al mismo tiempo el coste de energía y de capital
- Se puede aplicar en plantas de proceso nuevas o ya existentes.
Durante las dos décadas siguientes, ésta metodología fue aplicada posteriormente a procesos de transferencia de masa, recuperación de hidrógeno y diseño de procesos de destilación. El resultado fue el desarrollo de una de las principales metodologías de diseño de procesos industriales de finales de siglo.
Ejemplo:
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Teoría de Proyecto Final
- Se tiene la corriente de producto A, la cual debe enfriarse para poder ser procesada posteriormente. La temperatura debe bajar de 200 °C a 100 °C. En un diseño normal, esta operación implica gastar agua de enfriamiento para satisfacer esta necesidad.
- Por otro lado, la corriente B necesita calentarse para su proceso. Su temperatura debe subir de 80 °C a 200 °C. En un diseño normal, esta operación requeriría de un gasto de vapor para este calentamiento.
- Si en vez de usar los servicios de agua y vapor para estas operaciones, se reúne dentro de un mismo intercambiador de calor a las corrientes A y B (el calor de A calienta a B, mientras A se va enfriando), se ahorra gran parte del vapor, y casi toda el agua de enfriamiento.
En este ejemplo, no es posible llegar a un 100% de ahorro de servicios ya que la primera ley de la termodinámica no lo permite. Sin embargo, el ahorro en costo de operación puede ser sustancial. En el ejemplo, esta ley nos pide un gradiente mínimo de temperaturas entre las dos corrientes para que pueda haber transferencia de calor entre ellas (ΔT mínima). A este valor de ΔT se le conoce como el “punto de pinch”, ya que es la región más próxima entre las dos corrientes. El valor del pinch es un grado de libertad del diseñador, que debe considerar que a menor valor de pinch se tendrá mayor recuperación energética y mayor inversión de capital en intercambiadores de calor; y viceversa.
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Teoría de Proyecto Final
El número de corrientes frías y calientes que se puede usar en este análisis es infinito. Cuando se trabaja con múltiples corrientes, la metodología pinch propone la creación de una curva compuesta que combina todas las corrientes a enfriar (curva caliente), y una curva compuesta que combina todas las corrientes a calentar (curva fría). Estas dos curvas compuestas se pueden manejar de la misma forma para determinar el punto de pinch, y calcular con base en éste el gasto de operación (servicios) y el costo de capital (número de intercambiadores implicado).
El uso de este análisis permite, pues, diseñar la red de intercambio de calor que más economía va a representar, inclusive antes de comenzar la inversión en el equipo.
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