Selección de servicios auxiliares
Introducción
¡Hola, es un placer saludarte!
Espero que sigas manteniendo tu entusiasmo y deseos por aprender algo nuevo, es por ello que te brindo la bienvenida a la décimo tercera clase del curso Integración de Procesos.
En esta sesión estudiaremos los diferentes tipos de servicios auxiliares disponibles para uso en plantas industriales. Además, utilizaremos una herramienta gráfica que es un auxiliar en la etapa de selección y diseño de servicios auxiliares. Se trata de la Gran Curva Compuesta (GCC). Este tipo de diagrama se puede generar directamente a partir de la cascada de calor o a partir de las Curvas Compuestas (CC). Gráficamente representa las temperaturas modificadas del proceso vs. entalpía y en cuanto a su interpretación, esta curva nos indica cómo son los requerimientos energéticos de un proceso por nivel de temperatura. Esto se utiliza para que en los casos en que exista calor residual de cierto nivel de temperatura, se analice la factibilidad para ser integrado y suministrar carga térmica al proceso, dando de esta manera, origen al diseño de diseño de servicios auxiliares de multinivel.
Analizaremos el significado del término Integración de Procesos, que implica la posibilidad de integrar en el sistema máquinas térmicas para generación de potencia, así como bombas de calor, y conoceremos los principios de integración.
El objetivo de esta clase es brindarte los conocimientos para que seas capaz de analizar y seleccionar sistemas de servicios auxiliares en plantas industriales a partir de la generación de la GCC.
Con estos antecedentes, damos inicio a la sesión. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
La GCC es una proyección de los balances de energía por nivel de temperatura de las CC. La Figura 1 muestra cómo se obtiene a partir de las CC Modificadas de un proceso.
Para una construcción más exacta, partiendo de información cuantitativa, la GCC se construye a partir de los datos que arroja la Cascada de Calor. Es una herramienta para la selección e integración de servicios externos a un proceso (Figura 2).
La GCC es un auxiliar en la selección de servicios auxiliares. La Figura 3 muestra diferentes posibilidades de uso de servicios. Por ejemplo, arriba del Pinch, se puede usar vapor de media presión (MP) y completar el requerimiento de mayor temperatura con vapor de alta presión (HP). Por debajo del Pinch, si la temperatura es la adecuada, se puede remover calor utilizándolo para precalentar agua para la generación de vapor y a una temperatura menor se puede utilizar agua de enfriamiento.
Dependiendo del perfil de la GCC, es posible encontrar diferentes formas de suministrar los servicios auxiliares. Por ejemplo, enfocándonos en el calentamiento usando vapor, se pueden presentar diferentes casos como se ilustra en la Figura 4. Estos casos son: A. Uso de un solo nivel de vapor a alta presión (HP), B. Uso de dos niveles de vapor de alta (HP) y media presión (MP), C. Uso de tres niveles de vapor: baja (LP), media (MP) y alta presión (HP), D. Un solo nivel de vapor de baja presión (LP).
En el caso de sistemas de enfriamiento, la Figura 5 muestra el uso de diferentes tecnologías: A. Generación de vapor de baja presión (en reactores exotérmicos), B. Precalentamiento de agua, C. Agua de enfriamiento, D. Sistema de refrigeración.
De manera general, los principales tipos de servicios que se utilizan a nivel industrial se presentan en la Tabla 1.
El concepto de Integración de Procesos se deriva de las posibilidades que existen para la integración de sistemas de calor y potencia en procesos industriales. Algunas de las posibilidades se presentan en la Figura 6. El sistema representado en A corresponde a la integración de una turbina de vapor con dos extracciones, una de media (MP) y otra de baja presión (LP). La caldera genera vapor de alta (HP) y una parte se toma para calentamiento del vapor en la zona de mayor temperatura. El sistema B representa un circuito de aceite térmico; el sistema C, consiste en una bomba de calor que toma calor debajo del Pinch y lo entrega a las corrientes por arriba del Pinch. Por último, el sistema D, representa la integración de una turbina de gas. Tanto las turbinas de vapor como las de gas se integran de un mismo lado del Pinch.
Para complementar los conceptos que se han manejado, te invito a revisar los documentos: Integration of Heat and Power Systems e Introduction to Pinch Technology (Páginas 9 a 12).
Conclusión
Para concluir, en esta clase hemos estudiado la herramienta principal para el estudio de la integración de sistemas auxiliares en plantas de proceso. La Gran Curva Compuesta es un diagrama que representa el perfil de requerimientos térmicos de calentamiento y enfriamiento acumulados. La versatilidad que en diseño este diagrama presenta, es que proporciona información para decidir cómo suministrar los requerimientos térmicos de calentamiento y enfriamiento a un proceso.
Otro término que se ha explicado en esta clase es el de Integración de Procesos, que se refiere a las diferentes posibilidades de integración de sistemas de calor-potencia, que incluye turbinas de vapor, de gas y bombas de calor. Existe un principio básico para la integración de este tipo de sistemas, pues las máquinas térmicas deben integrarse de un mismo lado del Pinch, mientras que las bombas de calor deben integrarse a través del Pinch. La lógica para la definición de estos principios es considerar de dónde se toma la energía, es decir dónde está la fuente, y a dónde se entrega el producto, es decir dónde está el sumidero. Una máquina térmica puede tomar calor de una fuente externa y entregarla a un sumidero -el proceso arriba del Pinch-. Una bomba de calor toma energía de bajo nivel de una fuente -corrientes calientes debajo del Pinch- y lo entrega a un sumidero a mayor temperatura -corrientes frías arriba del Pinch.
Las ideas principales de esta clase son:
- La GCC se genera cualitativamente a partir de las CC.
- Cuantitativamente la GCC se construye a partir de la información que se obtiene de la Cascada de Calor.
- La GCC es una herramienta de diseño que permite identificar y seleccionar las posibles opciones de suministro de servicios auxiliares.
- Las máquinas térmicas (turbina de gas y de vapor) se integran de un mismo lado del Pinch, mientras que las bombas de calor se integran a través del Pinch.
Hemos llegado al final de la clase ¡Felicidades por llegar hasta aquí! No olvides realizar y mandar la tarea correctamente, te encuentro en la clase siguiente, hasta entonces.
Fuentes de información
- Archivo PDF: Integration of Heat and Power Systems
- Archivo PDF: Introduction to Pinch Technology (Páginas 9 a 12)