Clase digital 4. Requerimientos energéticos en un proceso industrial

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Requerimientos energéticos en un proceso industrial

Introducción

¡Hola, qué tal tu día!, espero que sea fantástico. 

Es para mi un gran honor saludarte y tenerte en esta clase a la cual te doy la bienvenida. Espero que sigas con esa misma motivación para continuar con este curso y aprender los conceptos que ofrece. En esta clase se introducirán los conceptos de consumo mínimo de energía de un proceso y la suma térmica de corrientes de proceso.

El objetivo de esta clase es que identifiques las relaciones entre recuperación de energía térmica y consumo externo de energía, que aprendas a generar curvas compuestas de un proceso y que seas capaz de identificar los elementos básicos que componen un sistema de recuperación de calor.

Para desarrollar este tema, nos adentraremos en el mundo de los procesos industriales. Particularmente nos concentraremos en procesos que involucren una transformación química de la materia, es decir, procesos químicos y petroquímicos. La razón es que este tipo de procesos son más complejos e involucran una mayor cantidad de operaciones unitarias. Por otro lado, nos centraremos en el uso de energía térmica. En este sentido, es necesario aclarar que la fuente de energía al proceso podría ser una forma diferente, ejemplo energía eléctrica o incluso energía solar, pero si el objetivo final es utilizar esa energía para calentamiento, entonces seguiremos manteniendo el enfoque en la energía térmica.

En relación con la recuperación de calor, un concepto que se empezará a manejar en esta clase es la diferencia mínima de temperatura para la transferencia de calor. Este concepto posteriormente dará origen al ΔTmin del proceso o punto “Pinch” por su nombre en inglés, que es un parámetro de diseño de redes de recuperación de calor.

Para demostrar tu aprendizaje, en esta sesión desarrollarás una serie de ejercicios para la construcción de curvas compuestas. Espero que disfrutes esta sesión, y te recuerdo que, en caso de duda, puedes comunicarte con un servidor a través del chat de la plataforma. Empecemos.

Desarrollo del tema

Considera la sección de un proceso como el que se muestra en la Figura 1. En la figura podemos observar que una corriente A que se encuentra a una temperatura T1, requiere ser acondicionada para elevar su temperatura hasta un valor T3. Por otro lado, el efluente del reactor, corriente B, que sale con una temperatura T4, debe ser enfriada hasta una temperatura T6.  

La gráfica de la derecha muestra un diagrama T vs Entalpía donde se representan las corrientes de proceso. Si seguimos la trayectoria de la corriente A, podemos observar que primeramente pasa a través de un intercambiador de calor donde recupera energía de la corriente B (a este equipo se le llamará recuperador de calor), posteriormente, pasa a través de otro intercambiador donde se le administra energía desde una fuente externa al proceso. A este intercambiador se le llama “calentador”. 

Finalmente, cuando ha llegado a la temperatura requerida, entra al reactor donde se lleva a cabo la transformación química. Si ahora seguimos la trayectoria de la corriente B, encontramos que inicialmente entrega parte de su energía a la corriente A en el recuperador de calor y después su excedente de energía se elimina a través de un intercambiador de calor donde se realiza un enfriamiento utilizando una fuente externa. A este intercambiador se le denominará “enfriador”.

Figura 1. Sección de un proceso. Sistema de recuperación de calor.

En el diagrama de la derecha se presentan los perfiles de temperatura de las corrientes. Estos perfiles son rectos porque en principio se considera que la propiedad física -capacidad calorífica- del fluido, es constante en ese rango de temperatura o que se está tomando un valor promedio. Ambas corrientes se posicionan arbitrariamente una con respecto a la otra en el diagrama T vs H. En este diagrama, la zona en que las dos curvas se encuentran traslapadas indica que se está recuperando esa cantidad de calor desde la corriente caliente (superior) y es absorbida por la corriente fría. Se pueden hacer varias observaciones a partir de este diagrama:

  • Si la corriente fría está más alejada de la corriente caliente, la zona de traslape se reduce (reduciendo así la recuperación de calor). Si estuviera más próxima, la recuperación de calor aumenta.
  • La pendiente de las curvas hace que la diferencia de temperatura entre las dos corrientes sea menor en el lado izquierdo de la zona de traslape. Este valor crece o se reduce dependiendo de si las corrientes están más alejadas o próximas una a la otra. Este punto es el ΔTmin del proceso.
  • Existen sobrantes en los extremos de ambas corrientes. En el caso de la corriente fría (A), después de haber recuperado calor, el sobrante representa la cantidad de energía que se debe obtener de una fuente externa para completar el balance. También se le conoce como calentamiento externo (Qh).
  • En el caso de la corriente caliente (B), la energía sobrante debe eliminarse a través de un sumidero externo. Esta cantidad de calor representa el requerimiento de enfriamiento (Qc).
  • En la medida que las curvas se aproximan una a la otra, el valor de ΔTmin se reduce, pero también crece la cantidad de energía que se recupera. Cuando esto ocurre, la necesidad de calentamiento externo disminuye y también lo hace el requerimiento de enfriamiento.
  • En el caso contrario, si las curvas se alejan más una de otra, se reduce la recuperación de calor y aumenta el servicio externo de calentamiento y el de enfriamiento, así como el ΔTmin del proceso.
  • Aumentar la recuperación de calor significa que el recuperador de calor de calor deberá ser de mayor tamaño, lo que implicará un incremento en la inversión de capital. Esto es, se invierte más en equipo, pero se reduce el consumo externo de energía.

El caso de la Figura 1 es un ejemplo muy sencillo de sólo dos corrientes, pero es muy ilustrativo. Si nos damos cuenta, el sistema consta de tres intercambiadores de calor, cada uno de los cuales realiza una función específica. En principio se tiene un calentador, un enfriador y un recuperador de calor. Estos tres elementos representan los componentes básicos de una red de recuperación de calor.

En la mayoría de los procesos existe más de una corriente caliente y más de una corriente fría. Esto crea la necesidad de agrupar las corrientes y crear una curva compuesta que representaría la suma térmica de ellas. Veamos cómo se puede hacer esto. Para ello, primero introducimos algunas consideraciones que se presentan en la Figura 2.

Figura 2. Relación entre el flujo másico-capacidad calorífica y la pendiente de la línea.

La pendiente del perfil térmico de la corriente representada en la Figura 2 está relacionado con el flujo másico-capacidad calorífica (CP= m Cp) de manera inversa. Considerando que el Cp de un fluido se mantiene constante en el rango de temperaturas, se puede hacer referencia principalmente al flujo de la corriente como la variable más determinante de la pendiente. Esto es, cuando se tiene una corriente con un flujo grande, la pendiente en el diagrama T Vs H es pequeña y viceversa.

Otra consideración importante que es necesario establecer antes de dar inicio al proceso de suma térmica de corrientes es el relacionado con el desplazamiento de una corriente en un diagrama T vs H. En la Figura 3, la corriente A es exactamente igual a la corriente B pues tienen las mismas temperaturas de entrada y de salida y además tienen la misma pendiente (o valor de CP). Por otro lado, si consideramos la corriente C, aunque tiene exactamente la misma pendiente que A, al tener diferentes temperaturas de entrada y salida, no es la misma corriente que A. En conclusión, una corriente puede desplazarse paralelamente de manera horizontal y seguirá siendo la misma corriente. El desplazamiento vertical cambia las condiciones de operación por lo que se da origen a una corriente diferente. Con estos conceptos en mente, damos paso a la suma gráfica de corrientes.

Figura 3. Suma gráfica de corrientes.
Nota: Representación del desplazamiento horizontal que mantiene las condiciones de operación (flujo másico y temperatura) de una corriente. El desplazamiento vertical deberá ser evitado pues cambia las condiciones de operación.

La Figura 4 muestra la suma térmica de dos corrientes que tienen las mismas temperaturas de entrada y salida pero diferente pendiente (CP). La Figura 5 muestra la suma térmica de dos corrientes que tienen diferente CP y diferentes temperaturas de entrada y salida. La Figura 6 muestra la suma térmica de una corriente con CP finito y una corriente con cambio de fase, CP=0.

Figura 4. Suma térmica de dos corrientes que tiene las mismas temperaturas de entrada y salida pero diferente CP.
Resultante térmica de la suma de dos corrientes que tiene diferente CP
Figura 5. Resultante térmica de la suma de dos corrientes que tiene diferente CP y diferentes temperaturas de entrada y salida.
Figura 6. Resultante térmica de la suma de una corriente con CP finito y una corriente con cambio de fase (evaporación) en la cual CP=0.

Conclusión

Para concluir, en esta clase se han introducido algunos conceptos fundamentales sobre la Integración de Procesos. Considerando el caso sencillo de un proceso con dos corrientes los conceptos principales son:

  • Los elementos básicos que constituyen una red de recuperación de calor son los siguientes: recuperador de calor, calentador y enfriador.
  • La recuperación de calor en un proceso reduce el requerimiento de energía de calentamiento externo y también el enfriamiento externo.
  • De una manera práctica, aumentar la recuperación de calor implica la instalación de un recuperador de calor de mayor tamaño. Esto también significa que, a mayor inversión en equipo de recuperación de calor, se reduce el consumo externo de energía. Por un lado, se invierte y por otro, se reduce el gasto energético.
  • Cuando se incrementa gráficamente el área de traslape entre las dos curvas se incrementa la recuperación de calor. El tamaño del recuperador de calor para hacer frente a la nueva condición crece por dos razones, la carga térmica aumenta, pero la fuerza motriz de temperatura se reduce.
  • El número de corrientes frías y calientes en un proceso normalmente es mucho mayor a dos. En estos casos, se deben generar las curvas compuesta de corrientes frías y corrientes calientes de manera independiente.
  • Las curvas compuestas se obtienen a través de la suma térmica de corrientes.
  • El flujo másico-capacidad calorífica o CP, varía inversamente con respecto a la pendiente del perfil de temperatura de una corriente. Un CP de cero, corresponde a un cambio de fase, un CP muy grande corresponde a una pendiente baja y viceversa.

¡Te felicito por tu logro! Te invito a continuar con tu proceso formativo para encontrar la resultante térmica de la suma de corrientes, realizando y mandando la actividad asignada a esta clase. “Perseverar es sinónimo de tenacidad, no decaigas sigue perseverando en tu educación” Te encuentro en la siguiente clase. Hasta luego.

Fuentes de información