Integración de Procesos
Introducción
¡Hola!
Recibe la más cordial y afectuosa bienvenida al curso Integración de Procesos. Me da mucho gusto saludarte en esta clase introductoria cuyo objetivo es que conozcas el panorama general de la situación energética actual en el mundo y en el país. Además, que te adentres y consideres la contribución al consumo de energía global que representa el sector industrial tanto en el contexto nacional como en el internacional. Esta información es importante para que logres dimensionar el potencial que existe para reducir el consumo de energía en este sector y la necesidad del uso eficiente y racional de la energía desde un punto de vista económico y ambiental.
Un segundo objetivo de esta clase es que conozcas el potencial de aplicación que las técnicas de Integración de Procesos tienen en procesos reales, así como los resultados que se pueden esperar haciendo un uso adecuado de los conceptos y metodologías. Esto se logra a través del análisis de la aplicación a un caso real. El tema se abordará a través de la descripción del proceso, de la problemática, las principales herramientas de análisis y cómo se aplican los conceptos que aprenderás en este curso. Es importante que identifiques que, cuando se habla de Integración de Procesos para el uso eficiente de la energía, existen dos grandes áreas de aplicación: el diseño de nuevos procesos y la readecuación de procesos ya en operación o existentes. El término readecuación se refiere a encontrar modificaciones factibles a procesos que se encuentran en operación para reducir el consumo de energía con inversión mínima de capital y buscando los tiempos menores de recuperación de la inversión.
Espero que esta primera clase cumpla su función y que, al término, te sientas motivado a seguir adelante en el conocimiento de las áreas de aplicación de la Integración de Procesos más allá de los temas que se abordan en esta clase. Con este comentario en mente, damos inicio a este curso.
¡Te deseo el mejor de los éxitos!
Desarrollo del tema
Energía e industria
Las técnicas de Integración de Procesos, y particularmente el Análisis Pinch, como inicialmente se conocía, son técnicas que establecen las bases para el diseño de procesos con el objetivo primordial de lograr el uso eficiente de los recursos. Estos recursos pueden ser: la materia prima, el agua y la energía, entre otros. El estudio de la Integración de Procesos tiene dos grandes vertientes, el diseño de nuevos procesos (grassroot design) o la readecuación de procesos ya en operación (retrofit).
Las principales formas de energía que se consumen en un proceso son la eléctrica y la térmica. Las operaciones unitarias (como los procesos de separación) y los procesos unitarios (como los sistemas de reacción) que integran un proceso industrial, consumen principalmente energía térmica para su operación y ésta corresponde en promedio, al 70% de la energía total del proceso. Lo anterior hace que el conocimiento de los procesos de transferencia de calor sea esencial para el diseño o la readecuación de un proceso.
Las estadísticas indican que, tanto en México como en el resto del mundo, el sector industrial consume aproximadamente el 30% de la energía total. De esta cantidad, aproximadamente el 70% de la energía se consume como energía térmica y el resto como energía eléctrica.
De los estudios que se han realizado en las últimas décadas para reducir el consumo de energía en procesos industriales siguiendo los conceptos de Integración de Procesos, se estima que alrededor del 20% del consumo industrial puede reducirse a través de modificaciones que no implican inversiones importantes, y además, un 30% adicional, puede lograrse mediante la consideración de esquemas de cogeneración. El problema con estos sistemas es el alto nivel de inversión. De lo anterior, se puede estimar que el potencial real para reducir el consumo de energía es de 50%, lo que significa que, si sólo se considera el sector industrial, es posible reducir el 15% del consumo mundial.
Para continuar conociendo más sobre la situación energética mundial, revisa el video: Energía en el Mundo y para realizar la consigna de esta sesión, consulta la página de la Agencia Internacional de Energía.
Aplicaciones industriales de la Integración de Procesos
La Integración de Procesos (IP) es un conjunto de técnicas prácticas para lograr los objetivos energéticos de un proceso, ya sea en la etapa de diseño o en un proyecto de reducción del consumo de energía. Los principales pasos en la aplicación práctica de IP consisten en la generación de las Curvas Compuestas, la Gran Curva Compuesta y la red de recuperación de calor. El análisis de estas tres herramientas proporciona información para lograr ahorros de energía considerando aspectos operativos de una planta. En esta sección se presenta un panorama general de la aplicación de las técnicas de IP a una planta real.
Objetivos Energéticos de un Proceso
La Figura 1 representa el diagrama de flujo de una planta de producción de urea. Una manera de simplificar el estudio a partir de la información que este tipo de diagramas provee es identificando la existencia de tres zonas diferentes en el proceso: a) la zona de acondicionamiento de temperatura de las corrientes de proceso; b) la zona de reacción, y c) la zona de purificación. En el proceso de producción de urea, se llevan a cabo algunas reacciones exotérmicas por lo que el calor que se libera en el reactor se considera como una fuente de energía que se puede reutilizar para el acondicionamiento de otras corrientes de proceso que lo necesiten.
Las curvas compuestas representan de manera gráfica del balance de materia y energía total de un proceso. Una vez construidas, son una herramienta que permite identificar, de una manera práctica, las posibles modificaciones que se pueden realizar en un proceso para reducir el consumo de energía. Las curvas se generan para una aproximación de temperatura mínima para la recuperación de calor en el proceso. La Figura 2, muestra las Curvas Compuestas para el proceso en cuestión para un ΔTmin de 12 ° C. En este diagrama se muestra que para este nivel de recuperación de energía térmica en el proceso, los requerimientos externos de energía de calentamiento y enfriamiento son Qh,min = 26,50 MW y Qc,min = 20,35 MW.
Red de recuperación de calor.
El conjunto de intercambiadores de calor, enfriadores y calentadores que recuperan energía térmica y suministran los servicios de enfriamiento y calentamiento a un proceso se representa gráficamente mediante un Diagrama de Rejilla (Grid Diagram). En este diagrama, las corrientes calientes se muestran como líneas rectas que van de derecha a izquierda, mientras que las corrientes frías corren en la dirección opuesta. Los intercambiadores donde ocurre recuperación de calor desde una corriente de proceso a otra de proceso se representan como dos círculos unidos por una línea recta vertical, mientras que los intercambiadores para enfriamiento y calentamiento externo se simbolizan por medio de círculos con la notación H o C para calentadores y enfriadores. La red de recuperación de calor que se extrae de la información del diagrama de flujo del proceso se muestra en la Figura 3.
A partir de la estructura de red de la Figura 3, se observa que el proceso tiene una reducida recuperación de energía. Por otro lado, una gran cantidad de energía se toma o se elimina a través de servicios externos.
La gran Curva Compuesta
La Figura 4 muestra la Gran Curva Compuesta que incluye la información de un sistema de cogeneración que opera en la planta. Cogeneración es el término que se da a la generación simultánea de calor y potencia para uso en el proceso.
Resultados del estudio energético
Con la ayuda de las herramientas de IP, el estudio del proceso arrojó los siguientes resultados:
- Se encontró que el sistema de cogeneración de la planta generaba más potencia mecánica que la requerida para el nivel de producción. La razón era un descuido en la temperatura de alimentación del CO2 al compresor. Se corrigió esta situación, y el consumo de energía se redujo en un 11%. No se requirió inversión.
- Se presentó una propuesta para modificar la red de recuperación de calor y consumir más del vapor residual en lugar de perderlo a través de condensación por medio de agua de enfriamiento. Esta modificación implicaba la inversión en tres equipos de intercambio de calor adicionales. El ahorro de energía en este caso fue de 7%.
- Como resultado de este proyecto, se identificaron modificaciones para ahorrar un total de 18% en el consumo de energía de la planta. El ahorro económico estimado fue de $325,000.00 dólares /año.
- Para conocer los detalles técnicos del estudio, consulta el archivo: Reducing energy consumption through process integration: The case of a fertiliser plant.
Conclusión
En resumen, en esta sesión se analizó la situación energética a nivel país y a nivel mundial, particularmente en relación con el sector industrial. Este tema es importante ya que nos da contexto y nos ayuda a dimensionar la importancia de manejar conceptos que nos guíen para implementar proyectos efectivos que conduzcan a reducir el consumo de energía en procesos industriales.
Las principales conclusiones de esta clase son:
- Las Técnicas de Integración de Procesos (IP) se han desarrollado exitosamente en dos áreas fundamentales: el diseño de nuevos procesos (grassroot design) y en la readecuación de procesos existentes (retrofit). Las técnicas para ambos enfoques son diferentes y se analizarán en este curso.
- El conocimiento de los principios de IP es fundamental para la aplicación exitosa de estudios de readecuación de plantas reales. Aquí es importante resaltar que este tipo de estudios deben complementarse con el análisis de la operación del proceso.
- La correcta aplicación de las herramientas de IP conduce a la identificación de situaciones operativas que, a los ojos de los operadores, podrían ser imperceptibles.
- La eficiencia energética es uno de los objetivos de diseño de las plantas modernas. El proceso que se analizó en esta sesión, aunque es un proceso con alto nivel de integración energética, mostró áreas de oportunidad importantes.
- El potencial de ahorro de energía en procesos industriales es de aproximadamente 20% con inversión mínima. Este potencial puede crecer hasta 50% considerando la importante inversión para la implementación de esquemas de cogeneración.
- La Integración de Procesos usa conceptos termodinámicos para encontrar, a partir de la información básica de un proceso, las áreas de oportunidad para la reducción del consumo de energía. El principal enfoque es la energía térmica de un proceso.
Hemos llegado al final de nuestra primera clase. ¿Cómo te sentiste? Espero que hayas aprendido cosas nuevas acerca del tema, pues te hará más sencillo el recorrido de este curso. Sigue adelante, realiza la tarea asignada y te espero en la siguiente clase.
Fuentes de información
- Archivo PDF: World energy statistics (81 páginas)
- Video: Energía en el Mundo
- Página de la Agencia Internacional de Energía (IEA – International Energy Agency): https://www.iea.org
- Archivo PDF: Reducing energy consumption through process integration: The case of a fertiliser plant (19 páginas).