Consumo mínimo de energía en un proceso industrial
Introducción
¡Hola! Es un gusto saludarte nuevamente por este medio y te felicito por llegar a la quinta clase del curso Integración de Procesos. Gradualmente nos vamos internando en esta área del conocimiento que como ya has visto, está relacionada con el uso eficiente de la energía en los procesos industriales.
En esta nueva clase, abordaremos la manera en que se presenta un balance total de materia y energía de un proceso completo a través de las Curvas Compuestas y de ahí pasaremos a definir el ΔTmin para recuperación de calor. Este término es de fundamental importancia pues como ya vimos en la clase pasada, es un parámetro de diseño y tiene un significado termodinámico importante. Además, en esta clase analizaremos cómo se extrae información básica para la construcción de las Curvas Compuestas a partir de un diagrama de flujo.
El objetivo de esta clase es que comprendas el concepto del consumo mínimo de energía de un proceso y lo visualices en términos del ΔTmin o punto Pinch, como lo llamaremos de aquí en adelante, y que seas capaz de extraer información para la construcción de una Curva Compuesta a partir de un diagrama de flujo de proceso.
Cuando se habla de consumo mínimo de energía, de manera intuitiva pensamos en la cantidad de energía que proviene de una fuente externa del proceso para fines de calentamiento; sin embargo, también es importante considerar que, así como se requiere una fuente externa de calentamiento, también es necesario considerar que se requiere una fuente externa para proporcionar el enfriamiento para el proceso. El enfriamiento es necesario para eliminar el calor residual del proceso.
Tomando en cuenta estos antecedentes, demos inicio a la sesión.
Desarrollo del tema
La Figura 1 representa los principales flujos de materia y energía de entrada y salida a un proceso industrial. En principio, los flujos energéticos de entrada al sistema se dan en forma de energía térmica y energía eléctrica, mientras que el flujo principal de materia corresponde a la materia prima. Una vez que el proceso se ha llevado a cabo, se presentan los flujos de salida. En cuanto a energía, toda se ha degradado a energía térmica de bajo nivel que requiere ser eliminada. Por otro lado, los flujos de materia de salida corresponden a las corrientes de producto y otros subproductos como residuos.
Los requerimientos externos de calentamiento (Qh) y de enfriamiento de un proceso (Qc) se suministran a través de servicios auxiliares. En la Figura 2 se presenta el diagrama de un sistema que produce vapor (caldera) y potencia eléctrica (turbina) para consumo en el proceso. El enfriamiento, se suministra a través de un sistema como el de recirculación de agua de enfriamiento que se muestra en la figura.
Para generar las Curvas Compuestas, es necesario extraer información de un diagrama de flujo de proceso. La información básica es la que se presenta en la Tabla 1 e incluye: la descripción de la corriente, el tipo de corriente (caliente o fría); el producto flujo másico-capacidad calorífica (CP), la temperatura inicial y la temperatura final y la entalpía eliminada o absorbida.
La extracción de información a partir de un diagrama de flujo que contiene los datos del balance de materia y energía, sigue las consideraciones generales siguientes:
- Las corrientes se identifican como frías o calientes.
- Las temperaturas de suministro (inicial) y objetivo (final) de una corriente, corresponden a aquellas existentes entre equipos de proceso principales (aunque haya intercambiadores de calor, éstos no representan puntos finales de las corrientes).
- En el caso de puntos de mezcla, la principal consideración es que las corrientes se deben mezclar isotérmicamente. Eso significa que las corrientes se deben considerar de manera independiente desde su temperatura de suministro hasta su temperatura objetivo sin considerar el punto de mezclado.
- Cuando se trata de un reactor exotérmico, como artificio, se considera como una pseudo corriente a aquella que se usa como la que proporciona el servicio de enfriamiento al reactor.
- En el caso de un reactor endotérmico, la consideración es con la corriente que proporciona el servicio de calentamiento.
- Si alguna corriente experimenta un cambio de temperatura como consecuencia de compresión o expansión, ese cambio de temperatura no se considera, pues no proviene de un proceso de transferencia de calor.
Realicemos el siguiente ejercicio: A partir del diagrama de flujo de la Figura 3, extrae la información y llena la Tabla 2. Para auxiliarte en el trabajo, considera que son 4 corrientes calientes y 4 corrientes frías.
Tabla de ejercicio. Llenar datos del proceso.
| Descripción de la corriente | Tipo de corriente Caliente, C Fría, F | Ts (°C) | TT (°C) | CP (kW/°C) | ΔH (kW) | Tipo de proceso de transferencia de calor (calor sensible, calor latente) |
|---|---|---|---|---|---|---|
A partir de la información del proceso, se construyen las Curvas Compuestas frías y calientes del proceso como se estudió en la clase 4. La forma típica de este tipo de curva es como se ilustra en la Figura 4. En la mayoría de los casos, se observa que existe un punto de menor aproximación de temperatura en la zona intermedia de las curvas. Este punto se conoce como el punto Pinch.
Si observas la Figura 5, en la medida que las Curvas Compuestas se encuentran más cerca una de la otra, el consumo externo de energía de calentamiento (Qh) se reduce. Lo contrario también ocurre, es decir, en la medida que las curvas se alejan una de otra, el consumo externo de energía de calentamiento crece. Una pregunta que surge es, en la práctica, ¿qué significa que las curvas estén más próximas unas de otras? Cuando están más cerca unas de otras significa que el proceso tiende a recuperar más calor. Esto se consigue a través de más equipo de intercambio de calor, tanto en número como en área de transferencia. Desde el punto de vista económico, esto significa que se requerirá más inversión. Aquí también surge una pregunta, ¿existe un punto óptimo? La respuesta es sí, existe un punto óptimo para diseño. Este tema se revisará en clases más adelante, por lo pronto, es necesario explorar el significado termodinámico del punto Pinch.
La Figura 6 muestra el concepto de manera gráfica. El punto Pinch divide al proceso en dos zonas termodinámicas: la zona del proceso arriba del Pinch es un sumidero de calor (continuamente necesita recibir calor de una fuente externa), y la zona por debajo del Pinch es una fuente de calor (elimina calor de bajo nivel de temperatura de manera continua a un sumidero de calor externo).
Hemos llegado al término de la sesión. Te recuerdo que es importante que realices la actividad de aprendizaje de esta sesión para afirmar los conceptos que acabamos de revisar. Para complementar estos conceptos revisa el documento: Introduction to Pinch Technology (Páginas 4 a la 9). También revisa el video sobre los principios de Tecnología Pinch en:
Conclusión
Para concluir, en esta clase hemos extendido el concepto gráfico de recuperación de calor a un proceso industrial de mayor magnitud, donde en principio existe un mayor número de corrientes de proceso tanto frías como calientes. La idea principal detrás del consumo de energía de un proceso se puede comprender claramente a partir de las Curvas Compuestas. Para la construcción de las Curvas Compuestas, es necesario generar la información de las corrientes de proceso.
Las ideas principales de esta clase son:
- Existe una implicación conceptual y una implicación práctica cuando se dice que las curvas se acercan o se alejan una de otra. Conceptualmente, incrementar la zona de traslape de las curvas o reducirla, está directamente relacionada con la recuperación de calor de las corrientes calientes a través de la absorción de este calor por corrientes frías.
- La implicación práctica de estos movimientos está relacionada con la necesidad de contar con equipo de transferencia de calor que llevará a cabo dicha función. Cuando el área de traslape aumenta, dos cosas ocurren, por un lado, la carga térmica recuperada aumenta, y por otro los gradientes de temperatura para la recuperación de calor se reducen.
- Incrementar la recuperación de calor en un proceso trae consigo el incremento del número de equipos, así como de sus dimensiones físicas. Esto significa que incrementar la recuperación de calor trae consigo mayor inversión en equipo de transferencia de calor.
- Te espero en la próxima clase.
Fuentes de información
- Archivo PDF: Introduction to Pinch Technology (Páginas de la 4 a la 9)
- https://youtu.be/qijb5jWRzpE