Modificaciones a redes para reducir el consumo de energía: readecuación
Introducción
¡Hola, qué gusto encontrarte!
Me complace saber que sigues trabajando en este curso, espero que tu día sea excelente y realices todo aquello que te has propuesto. Por lo pronto te doy la bienvenida a la décimo segunda clase del curso de Integración de Procesos.
Hemos avanzado ya un largo trayecto y es el turno de conocer algunos conceptos básicos sobre la readecuación de redes de recuperación de calor existentes. El término readecuación o retrofit (en inglés) en el contexto de este curso, significa realizar modificaciones a la estructura o a los equipos de una red que se encuentra en operación con el propósito de impactar positivamente en el consumo de energía y reducirlo. Este proceso involucra, por un lado, determinar las modificaciones que satisfacen las condiciones termodinámicas de factibilidad y por otro, evaluar el nivel de inversión para que junto con el ahorro de energía esperado se determine el tiempo de recuperación de la inversión.
A lo largo del tiempo se han desarrollado diversas aproximaciones a los procesos de readecuación o retrofit. Algunos métodos conservan la sencillez de la filosofía de la tecnología Pinch y otros llegan a ser altamente sofisticados como los métodos matemáticos de optimización. En esta clase revisaremos los conceptos fundamentales del análisis para reducción del consumo de energía basado en el método Pinch, destacando su practicidad. Después nos centraremos en lo que desde mi punto de vista es una lógica simple y práctica para realizar estudios de esta naturaleza en plantas reales.
El objetivo de esta sesión es que seas capaz de llevar a cabo un estudio para reducir el consumo de energía en un proceso industrial, que identifiques el tipo de información necesaria para el análisis y sepas presentar los resultados de una manera práctica para la toma de decisiones.
Espero que estos antecedentes te motiven a adentrarte en este fascinante mundo de la aplicación real de las técnicas del Análisis Pinch. Demos paso al desarrollo del curso.
Desarrollo del tema
Un concepto fundamental en el diseño de redes de recuperación de calor a través del método Pinch es que al diseñar una red dividiendo el proceso en las dos zonas termodinámicas, se está garantizando el consumo mínimo de energía para el nivel de recuperación de calor especificado. La implicación del diseño en dos zonas es que cada una se debe encontrar en total balance una vez que se han integrado los respectivos servicios auxiliares. Por lo tanto, arriba del Pinch existe balance, pues toda la carga térmica de las corrientes calientes se transfiere a las corrientes frías, mientras que el requerimiento final de energía se suministra a través de fuentes externas. Por otro lado, debajo del Pinch el balance establece que la energía contenida en las corrientes calientes se absorbe por las corrientes frías, y el sobrante de energía se elimina por medio de una fuente externa de enfriamiento. La Figura 1 muestra este principio de manera gráfica utilizando las Curvas Compuestas.
La implicación de la existencia del balance independiente en ambas zonas del Pinch es que no debe existir, en principio, ninguna conexión o flujo de energía entre las dos zonas. La pregunta que surge es: ¿qué ocurriría si hubiera transferencia de energía entre las dos zonas, particularmente si se transmite calor de la zona caliente del Pinch a las corrientes frías por debajo del Pinch? El resultado de esta condición sería que el consumo de energía externa de calentamiento y de enfriamiento del proceso se incrementa. La Figura 2 ilustra esta condición. Si la energía contenida en la zona A arriba del Pinch se usa para satisfacer la demanda de energía de la zona B debajo del Pinch, se crean respectivos huecos en los balances. Estos huecos deberán ser cubiertos por servicios externos.
Desde el punto de vista de la red de recuperación de calor, la transferencia de calor a través del Pinch se ilustra en la Figura 3. Para compensar las 24 unidades de energía que se transfieren a través del Pinch, el sistema debe incrementar el consumo externo a través de un nuevo calentador (H1) con esa carga térmica. Por otro lado, el enfriamiento debe incrementarse en C2 en la misma magnitud.
Una metodología de readecuación de un proceso existente consiste en identificar aquellos intercambiadores que cruzan el Pinch y después tratar de corregir el problema. La Figura 4 presenta una manera de hacerlo.
El problema con este tipo de metodologías es que cuando la red tiende a ser más grande, y existen muchos intercambiadores en esa condición, la corrección de su posicionamiento puede llevar a una cantidad importante de cambios, lo que no sólo impacta en el costo sino en la producción al tener que parar el proceso para realizar los ajustes. Ahora, en costos como el que se describe, no todos los intercambiadores de calor pueden ser reutilizados porque las cargas térmicas y los niveles de temperatura de operación podrían llegar a ser muy diferentes en comparación para las condiciones en que fueron diseñados. Esto significa que muchos intercambiadores no se podrían reutilizar. Todos estos aspectos reducen la factibilidad económica y práctica del proyecto.
La forma más sencilla de llevar a cabo un proyecto de readecuación es a través de las rutas térmicas. Si recordamos, una ruta térmica es una subestructura dentro de una red que une un calentador con un enfriador a través de corrientes de proceso y de intercambiadores de calor. La Figura 5 muestra una red de recuperación de calor y dos posibles rutas térmicas.
Las rutas térmicas en la Figura 5 están constituidas por:
- Ruta 1 (línea verde): Corriente 1C, calentador H, intercambiador E1, corriente 2H y enfriador C
- Ruta 2 (línea roja): Corriente 1C, calentador H, intercambiador E4, corriente 2H y enfriador C
La forma de realizar el análisis es proponer diferentes proyectos de reducción del consumo de energía. Por ejemplo, tomemos la ruta 1 y sólo para fines de claridad, aislémosla del resto de la red como se ilustra en la Figura 6. El ahorro de energía se logra incrementando la recuperación del calor de E1. Al incrementar su carga, el balance en las corrientes 1C y 2H se mantiene reduciendo la carga de H y de C. Reducir la carga de H significa reducir el consumo externo de energía. La siguiente pregunta sería: ¿hasta qué punto se puede incrementar la carga térmica de E1? La respuesta sería: hasta donde sea posible desde el punto de vista termodinámico, o hasta que el nivel de inversión sea aceptable. Normalmente en la medida en que incrementamos la carga térmica y los niveles de temperatura se hacen más pequeños el costo del equipo crece, reduciendo la factibilidad del proyecto desde el punto de vista económico. Sin embargo, es importante establecer un criterio para la identificación del proyecto adecuado. El criterio más sencillo es el tiempo de retorno de la inversión.
La metodología es la siguiente:
- Establecer el incremento de carga térmica.
- Calcular el incremento de área de transferencia de calor.
- Estimar el costo de inversión.
- Determinar el ahorro de energía.
- Calcular el tiempo de recuperación de la inversión.
La metodología se puede repetir para diferentes niveles de recuperación de calor. El resultado se puede graficar como se ilustra en la Figura 7. Es importante mencionar que todo este tipo de modificaciones crea disturbios internos que deben evaluarse para conocer efectos sobre la red. Para ello se puede emplear la metodología que se estudió en clases anteriores.
Conclusión
En esta clase hemos estudiado una manera práctica de aplicar los conceptos de análisis Pinch para lograr reducir el consumo de energía de una planta. Si bien los conceptos se aplican para todo tipo de proceso, es necesario hacer una distinción entre procesos continuos y procesos semicontinuos o por lotes. En los procesos continuos, que normalmente están destinados a la producción de commodities o productos que generan con altos volúmenes, la idea principal es reducir el consumo de energía para lograr un impacto positivo en los costos de producción. Sin embargo, cuando se trata de procesos semicontinuos, que típicamente están dirigidos a la producción de specialties o productos caros que se producen en bajos volúmenes, el concepto cambia, pues más que reducir el consumo de energía, se debe pensar en utilizar la energía de una manera más eficiente para incrementar la producción.
Se han desarrollado diferentes metodologías para buscar proyectos de readecuación o retrofit más rentables. Al final del día, los mejores proyectos son los que requieren menos modificaciones al proceso y desde luego, que presenten un buen nivel de ahorro de energía con una inversión aceptable cuyo tiempo de recuperación se encuentre dentro de los estándares de la compañía.
Las ideas principales de esta clase son:
- Los mejores proyectos de readecuación son aquellos que requieren el menor número de modificaciones.
- Las rutas térmicas en redes de recuperación de calor representan la mejor manera de realizar proyectos de readecuación de proyectos de ahorro de energía en un proceso industrial.
- El tiempo de recuperación de la inversión es uno de los criterios más directos para la toma de decisiones en proyectos de reducción del consumo de energía.
Has llegado al final de la clase y debes saber que la constancia y resistencia son virtudes del verdadero entusiasmo, ¡vas muy bien, continúa no desistas! Para seguir con el término de la clase, te invito a realizar y mandar la tarea asignada. Te espero en tu próxima sesión, hasta pronto.
Fuentes de información
- Archivo PDF: Design and retrofit of HEN
- Archivo PDF: Retrofit of heat exchanger networks
- Video: Casos industriales reales