Selección de los servicios de calefacción y refrigeración

Con los procedimientos explicados en las secciones anteriores hemos averiguado las necesidades de calefacción y refrigeración de un proceso. Con estos datos podemos seleccionar los servicios de calefacción y refrigeración más adecuados. Estamos ya en la última capa de la cebolla (fig. ), pero todavía hablamos en término de objetivos y no en diseño detallado.

Existen muchos servicios que podemos usar para cubrir las necesidades del proceso. El servicio de calefacción más común es el vapor. Si se necesitan temperaturas muy altas, se suele acudir a hornos o a circuitos de aceite a alta temperatura. Entre los servicios de refrigeración nos encontramos con agua, aire, precalentado de hornos, precalentado de agua o incluso generación de vapor.

Las curvas compuestas nos indican cuáles son las necesidades del proceso, pero no cómo cubrirlas. Para ello es mejor acudir a las curvas grand compuestas. Estas curvas se usan para seleccionar los servicios más adecuados y también, como veremos en capítulos posteriores, para analizar la interacción entre reactores y separadores integrados, con el resto del proceso.

Figura: Curva grand compuesta

La curva grand compuesta se obtiene al representar gráficamente el diagrama de cascada obtenido mediante el algoritmo de la tabla del problema. Por ejemplo, la curva de la figura es una curva grand compuesta. Representa el flujo de calor a través del proceso frente a la temperatura.Cuando hablemos de temperatura en las curvas grand compuestas, nos estaremos refiriendo a temperatura modificada. Es decir, las curvas calientes están representadas $\Delta T_$min$/2$ más frías, y las frías $\Delta T_$min$/2$ más calientes.

Como está construida con la temperatura modificada, el punto en el que la diferencia de entalpía es nula es el pinch. El intervalo de entalpía en la zona superior de la curva es $Q_{\text{min}}$ y el intervalo en la zona inferior $Q_{C\text{min}}$. Intuitivamente, podemos identificar la zona superior como un pozo de calor, y la inferior como una fuente de calor (fig. ). Las áreas sombreadas de la figura se conocen como pockets, y representan zonas en las que es posible la transferencia de calor entre corrientes del proceso. Los pockets representan excesos de energía locales que se emplean para satisfacer déficits locales de energía.

Figura: Distintos tipos de servicios representados en una curva grand compuesta

En la figura a se representa la misma curva de la figura , pero donde se ha empleado vapor como calefacción. En la figura b se ha optado por emplear aceite caliente.

Ejemplo 3

El diagrama de cascada para el problema de la figura se encuentra en la figura . Usando la curva grand compuesta:

1. Para dos niveles de vapor en condiciones de saturación a 240 y 180 ^oC, determinar las cantidades de vapor de cada nivel que maximiza el uso de vapor de baja presión.
2. En lugar de usar vapor, se emplea un circuito de aceite caliente a 280 ^oC ( $C_{P_{\text{aceite}}} = 2.1$ kJ kg$^{-1}$ K$^{-1}$). Calcular el caudal mínimo necesario de aceite.

Solución:

. Para $\Delta T_$min$= 10$ ^oC, los dos niveles de vapor se dibujan en la curva grand compuesta a 235 y 175 ^oC. En la figura a se muestran las cantidades de vapor que maximizan el uso de vapor de baja presión (se usa tanto vapor de baja presión como se puede). Para $T^*=175$ ^oC, el vapor de baja presión debe aportar (interpolando en la curva gran compuesta):

$$180 = \frac{175-145}{185-145}\cdot4 = 3$$

Por tanto, el resto ($7.5-3=4.5$ MW) deberá ser aportado por vapor de alta presión.

. En la figura b se muestra la curva grand compuesta usando aceite para la calefacción. El caudal mínimo vendrá dado por la máxima pendiente y la mínima temperatura de retorno. En este caso, la mínima temperatura de retorno es la temperatura del pinch ($T=150$ ^oC, $T^*=145$ ^oC para las corrientes calientes). En este caso:

$$= 7.5\cdot10^3 \frac{1}{2.1 \text{ kJ kg}^{-1}\text{K}^{-1}} \frac{1}{(280-150) \text{ K}}=27.5 \text{ kg s}^{-1}$$

$\diamondsuit$

Figura: Alternativas de calefacción para el ejemplo