Importación y exportación de energía en complejos industriales
Introducción
¡Hola admirable estudiante!
Me da mucho gusto saludarte en esta ocasión, que sin demeritar las anteriores, ya has avanzado mucho en este proceso formativo y eso es razón suficiente para pedirte que continúes con ese mismo ímpetu por aprender más. Te reitero mis felicitaciones y te doy la bienvenida a la décima cuarta clase del curso Integración de Procesos.
En esta sesión estudiaremos cómo se llevan a cabo los procesos de importación y exportación de energía en complejos industriales. Un complejo industrial, se caracteriza por ser un conglomerado de diferentes plantas que están vinculadas entre sí a través de flujos de materia y energía. Existen muchos tipos de complejos industriales y tal vez el más conocido sea el de las refinerías de petróleo.
En un complejo industrial o “sitio total» como se llamará en este curso, las necesidades de calentamiento y enfriamiento de las diferentes plantas son muy diferentes entre sí. Algunas plantas requieren mayor nivel de temperatura e incluso pueden generar grandes cantidades de calor de alto nivel que requiere eliminarse y que representa una cantidad de energía considerable que puede ser utilizada en otra planta.
Hasta este momento, hemos aprendido en este curso cómo recuperar energía dentro de una misma planta. Cuando nos enfrentamos a complejos industriales, debemos considerar ahora esquemas de importación o exportación de energía de un proceso a otro. Estos procesos no pueden llevarse a cabo utilizando las mismas corrientes de proceso pues sería impráctico. La manera más práctica y eficiente de llevarlos a cabo es a través de sistemas de vapor, que se denominan redes de distribución de vapor.
Para comprender cómo se diseñan este tipo de sistemas, es necesario que estudiemos otro tipo de herramienta gráfica, el Perfil de Sitio Total. Este tipo de diagrama se construye a partir de la Gran Curva Compuesta de cada una de las plantas que integran el complejo industrial. Una vez que hayamos revisado cómo se construyen estas curvas, analizaremos los diagramas de distribución de vapor y conoceremos sus principales características.
Esta es la última clase con contenido teórico del curso. Espero que sigas con el mismo ánimo para completar el curso, sus lecturas y la actividad de aprendizaje de manera satisfactoria.
Damos pues inicio a esta sesión.
Desarrollo del tema
Un complejo industrial está integrado por diferentes plantas. Algunos complejos industriales pueden contar con un gran número de ellas (Figura 1), y todas interconectadas de alguna manera a través de flujos de materia o de energía. Si bien cada planta puede ser tratada de manera individual aplicando las técnicas del Análisis Pinch que se han estudiado en este curso, cuando se considera importar o exportar energía de una planta a otra, es necesario pensar en el uso de un sistema adecuado que permita recoger energía en alguna zona donde esté disponible y entregarlo en una zona diferente donde se requiera. El tipo de sistemas que se ocupan a nivel industrial para realizar esta función se conocen como redes de distribución de vapor. Las redes de distribución de vapor normalmente constan de cuatro diferentes niveles de vapor: de muy alta presión (VHP), de alta presión (HP) de media presión (MP) y de baja presión (LP). Si bien, existen niveles de presión de vapor que ya son estándares, las condiciones de operación de estas líneas están definidas por las necesidades del complejo industrial. Por ejemplo, las líneas de VHP pueden operar entre 60 bar y 100 bar; las líneas de HP operan entre 20 bar y 15 bar; las de MP entre 10 y 8 bar y las de LP entre 5 y 3 bar típicamente. La pregunta que surge es, ¿cómo seleccionar el nivel de vapor adecuado para un complejo industrial? Para responder a esta pregunta, analicemos cómo se construye el Perfil de Sitio Total y qué representa.
El inicio de la construcción de perfiles de sitios totales parte de la Gran Curva Compuesta de cada una de las plantas. La Figura 2 presenta un diagrama donde se hace un desglose de las partes que componen una Gran Curva Compuesta y se define como “Fuente” o “Sumidero”. Arriba del Pinch, una zona representada por una línea recta de pendiente positiva será un “sumidero”; si su dirección relativa tiende a reducir el requerimiento de energía, es decir si tiene una pendiente negativa, será una “fuente”.
Por debajo del Pinch, una zona recta que incrementa el requerimiento de enfriamiento, es decir que abre hacia la derecha, es una fuente y una componente con una dirección contraria representa un sumidero.
El ejercicio se repite para cada una de las plantas existentes como se muestra en la Figura 3. Después, se agrupan todas las secciones “fuente” de las plantas y se suman térmicamente para dar una resultante. Lo mismo ocurre para las secciones “sumidero”. Las Curvas resultantes se grafican en un solo diagrama como se muestra en la Figura 4. En este caso las curvas no se sobreponen, pues en principio el objetivo no es recuperar calor. Más bien, a partir del perfil de “fuente” del sitio, se encuentran los niveles de vapor que se pueden generar de acuerdo con el nivel de temperatura y la cantidad de calor disponible como se muestra en la Figura 5. El vapor recuperado es entonces utilizado para suplir los requerimientos energéticos del perfil “sumidero”. En este diagrama se observa que el remanente en el perfil de “fuente” representa la carga térmica de enfriamiento que se suministra al sitio. Por otro lado, el remanente de la curva de “sumidero” representa la cantidad de energía externa de calentamiento que se suministrará. De esta manera, se pueden identificar de manera aproximada, los niveles de operación de las diferentes líneas de vapor en el complejo industrial.
La Figura 6 muestra un diagrama general del sistema de servicios externos de un complejo. Observamos que cada planta tiene requerimientos específicos de enfriamiento y calentamiento. Cuando una planta requiere energía, se conecta a la línea de vapor de acuerdo con la temperatura apropiada. Cuando tiene un exceso de energía, puede generar vapor y suministrar a las líneas de vapor para ser distribuida en otras partes de la planta donde se requiera. La Figura 7 muestra un diagrama de distribución de vapor detallado típico. En este diagrama se muestran diferentes componentes del sistema de distribución de vapor, por ejemplo, el sistema de generación de vapor, la turbina para cogeneración, usuarios representados por intercambiadores de calor, usuarios representados por turbinas de expansión -para la operación de turbo bombas-, sistemas de reducción de presión para mantener el balance de las líneas que incluye un sistema de regulación del nivel de saturación- y sistema de recuperación de condensados por medio de flasheo para recuperación de vapor y de condensado.
Existe una gran cantidad de trabajos publicados en que se analizan las virtudes de este tipo de diagramas en el diseño y optimización de redes de vapor y del consumo de energía en sitios totales.
Conclusión
En resumen, con esta clase hemos logrado cubrir la totalidad de los temas que se tiene contemplados en el curso de Integración de Procesos. El tema central de esta sesión fue el estudio de las redes de distribución de vapor en complejos industriales. Este tipo de sistemas se usan para llevar a cabo la importación o exportación de energía desde una planta al resto del complejo industrial. Las redes de vapor son sistemas dinámicos que se alimentan de tres fuentes principales: las calderas de producción de vapor, de turbinas de extracción, y del vapor que se genera en las diferentes plantas del complejo. A su vez, algunas plantas se convierten en usuarios de vapor por lo que se conectan a las líneas para obtener el servicio al nivel de temperatura requerido.
La definición de la presión de operación de las líneas de vapor en un complejo industrial se puede identificar a través de la generación del Perfil de Sitio Total. Este tipo de diagrama muestra la capacidad combinada de todas las plantas de producir vapor a diferentes niveles de presión. Por otro lado, indican el potencial de uso de este vapor. La energía que ya no es apta para generar vapor por tener un nivel bajo de temperatura, representa el enfriamiento que se debe suministrar por medio de sistemas de enfriamiento. Lo mismo ocurre con el remanente del perfil de sumidero, que indica la cantidad de energía externa que se debe suministrar a partir de una fuente externa. Esta información es básica para el dimensionamiento y la selección de los servicios auxiliares del sitio.
Las ideas principales de esta clase son:
- Un sitio total es un conjunto de plantas industriales que están interconectadas por flujos de materia o de energía.
- Un Perfil de Sitio Total representa la capacidad para importación y exportación de energía en un complejo industrial.
- La manera más práctica y eficiente de llevar calor de un lugar a otro dentro de un complejo industrial es a través de líneas de vapor.
Hemos llegado al final de la clase ¡Te felicito por tu gran logro¡ Espero que con esta clase hayas adquirido un panorama general de las metodologías y los principios fundamentales del uso eficiente de energía en plantas individuales y en complejos industriales. Ya casi estás por terminar el curso. no olvides realizar la tarea y enviarla como corresponde. Hasta la próxima sesión.
Fuentes de información
- Archivo PDF: Total site methodology