Optimización del consumo energético de procesos industriales. Tecnología de Pinch. Combinación con el Análisis de Exergía.

Proyecto Fin de Carrera
para la obtención del título de
Ingeniero Industrial

por

Israel Herraiz Tabernero
Ingeniero Técnico Industrial
Universidad de Cádiz
2001
--
Tutor:
Ismael Rodríguez Maestre
Dpto. de Máquinas y Motores Térmicos

Algeciras, junio de 2004
Escuela Politécnica Superior
Universidad de Cádiz

Lista de símbolos

$\hline$		math
$A$	Área de transferencia de calor	$m^2$
$A^*$	Área ficticia	$m^2$
$\delta B$	Pérdida de exergía	$W$
$b$	Exergía específica	$W / kg$
$B$	Exergía	$W$
$B_a$	Exergía de la materia que abandona el sistema	$W$
$B_d$	Exergía de la materia que entran en el sistema	$W$
$B_f$	Exergía física	$W$
$B_k$	Exergía cinética	$W$
$B_p$	Exergía potencial	$W$
$B_q$	Exergía química	$W$
$\Delta B_q$	Incremento de exergía de una fuente de calor	$W$
$\Delta B_s$	Incremento de exergía del sistema	$W$
$B_t$	Exergía térmica	$W$
$B_x^q$	Exergía química de la sustancia $x$	$W$
$COP$	Coeficiente de funcionamiento
$C_p, CP$	Capacidad calorífica, calor específico	$\frac{J}{^{o}C kg}, \frac{J}{mol ^{o}C}$
$CP_C$	Capacidad calorífica de una corriente fría	$\frac{J}{^{o}C kg}, \frac{J}{mol ^{o}C}$
$CP_H$	Capacidad calorífica de una corriente caliente	$\frac{J}{^{o}C kg}, \frac{J}{mol ^{o}C}$
$F_T$	Factor de correción (cambiadores multipaso)
$h$	Entalpía específica (en capítulo de Exergía)	$kJ / kg$
$h$	Coeficiente de película	$\frac{W}{m^2 ^{o}C}$
$H$	Entalpía	$W$
$\dot m$	Caudal másico	$kg / h$
$N$	Número de unidades de la red de intercambiadores
$P$	Efectividad térmica
$Q_{C{min}}$	Consumo óptimo de refrigeración	$W$
$Q_{H{min}}$	Consumo óptimo de calefacción	$W$
$Q_{{rec}}$	Calor recuperado	$W$
$R$	Relación entre la carga calorífica de los fluidos
$s$	Entropía específica	$\frac{kJ}{kg K}$
$S$	Entropía	$kJ / K$
$S$	Número de corrientes
$S_0$	Entropía del entorno	$kJ / K$
$S_C$	Número de corrientes frías
$S_H$	Número de corrientes calientes
$T$	Temperatura	$^{o}C, K$
$T^*$	Temperatura modificada	$^{o}C, K$
$T_0$	Temperatura del entorno	$^{o}C, K$
$T_C$	Temperatura de una corriente fría	$^{o}C, K$
$T_H$	Temperatura de una corriente caliente	$^{o}C, K$
$T_S$	Temperatura de suministro	$^{o}C, K$
$T_S^*$	Temperatura de suministro modificada	$^{o}C, K$
$T_T$	Temperatura objetivo	$^{o}C, K$
$T^*_T$	Temperatura objetivo modificada	$^{o}C, K$
$T_$TFT$$	Temperatura teórica de llama	$^{o}C, k$
$U$	Coeficiente global de transferencia de calor	$\frac{W}{m^2 ^{o}C}$
$W$	Trabajo	$W$
$x$	Fracción molar (en capítulo de Exergía)
$x$	Título (tanto por uno de líquido en una mezcla líquido-vapor)
$XP$	Flujo de calor a través del pinch	$W$
$\hline$		math

Símbolos griegos

$\hline$
$\phi$	Coeficiente de costes
$\gamma$	Coeficiente de actividad
$\eta$	Eficiencia exergética global
$\eta_B$	Eficiencia exergética
$\eta_E$	Rendimiento energético
$\eta_P$	Grado de perfección
$\eta_t$	Rendimiento isentrópico
$\hline$

Resumen del contenido

El diseño de un proceso productivo debe realizarse siempre en condiciones óptimas, para asegurar su supervivencia. Los factores externos condicionan el diseño del proceso. Hoy en día, es fundamental diseñar procesos económicamente óptimos, y respetuosos con el Medio Ambiente, ya que de lo contrario, o no podremos competir en el mercado, o ni siquiera se podrá llevar a cabo el proceso por imperativos legales.

Este trabajo pretende introducir los métodos de la tecnología pinch, con el fin de diseñar procesos químicos con un coste mínimo, y con un consumo energético óptimo (lo que contribuirá a disminuir el impacto ambiental del proceso). Además, también se ha mostrado como emplear el análisis pinch para simplificar un análisis de exergía, herramienta clásica en la optimización energética de procesos industriales.

Con el fin de hacer más sencilla la aplicación de estas técnicas se ha desarrollado una herramienta informática, que permite aplicar la tecnología pinch al diseño de procesos químicos.

En el capítulo se explica cuál es el procedimiento que se debe seguir para diseñar un proceso óptimo, y en qué consiste la tecnología pinch.

El capítulo se muestran con detalle los conceptos fundamentales de la tecnología pinch. Entre otros aspectos, muestra cómo calcular los consumos energéticos óptimos de un proceso y cómo seleccionar los servicios auxiliares necesarios para el proceso.

El capítulo se explica cómo calcular el área y el coste de la red, y cómo seleccionar los parámetros de diseño para lograr un coste óptimo.

En el capítulo se desarrollan y justifican las reglas básicas que hay que seguir para realizar el diseño de la red de intercambiadores del proceso. Mediante estas reglas podemos asegurar que se cumplen los objetivos de consumos energéticos y coste mínimos.

El siguiente capítulo, el , aplica las reglas expuestas en el capítulo anterior al revamping de una unidad de destilación atmosférica. El diseño realizado permite aumentar la carga procesada por la unidad sin aumentar el consumo energético de la unidad.

El capítulo versa sobre el concepto de exergía. Se explica cómo realizar un análisis de exergía de un proceso, cómo combinarlo con un análisis pinch, y se aplican las técnicas expuestas a un caso práctico: una unidad de producción de hidrógeno. Mediante las técnicas aplicadas se logra aumentar el rendmiento exergético de la unidad, lo que redunda en un incremento de la producción de hidrógeno.

Por último, el capítulo expone las conclusiones de este trabajo. Podemos señalar que básicamente resalta las ventajas de la tecnlogía pinch sobre el análisis de exergía, aunque también expone los puntos débiles de la tecnología pinch.

Los apéndices constan de los manuales de la aplicación desarrollada, y de la licencia de distribución de esta aplicación.