Diseño e Ingeniería de Procesos

Redes de intercambio de calor [Método heurístico] Ing. Martín Rivera Toledo

1. Introducción El diagrama de “la cebolla” representa la importancia jerárquica en el diseño de procesos químicos ¿Cuál es el beneficio de considerar la integración térmica? Para un proceso con reacción química se tienen los siguientes esquemas con y sin integración térmica

Sin integración térmica Con integración térmica Inversión en costo fijo { $ } 250,000 129,000 Costo de servicios auxiliares {$ / año } 105,400 16,670 Valor Presente Neto { $ } -1’225,000 -373,000 Conclusión: Se han ahorrado en el tiempo de vida de la planta $852,000 [-373,000 + 1’225,000] por la integración térmica

Contenido

Para el diseño de redes de intercambio de calor es necesario determinar 1.1 El consumo mínimo de servicios de calentamiento y enfriamiento 1.1.1 Análisis de primera ley de la termodinámica 1.1.2 Intervalos de temperatura 1.1.3 Diagrama de cascada 1.1.4 Temperatura del punto de pliegue 1.1.5 Diagrama temperatura vs entalpía 1.2 El número mínimo de cambiadores de calor 1.3 El área de transferencia de calor para los equipos

2. Procedimiento Ejemplo Se tienen dos corrientes calientes que necesitan ser enfriadas y dos corrientes frías que requieren ser calentadas, el conjunto de propiedades de dichas corrientes se encuentran en la tabla 1. No.corriente Condición FCp

[BTU/h °F] Torigen [°F]

Tdestino [°F]

Q1disponible [103 BTU/ h]

1 Caliente 1000 250 120 130

2 Caliente 4000 200 100 400

3 Fría 3000 90 150 -180

4 Fría 6000 130 190 -360

ΣQi = -10

2.1.1. Análisis de primera ley de la termodinámica Para calcular la cantidad de energía disponible para absorber o ceder por cada una de las corrientes de proceso se tiene que para un sistema sin cambio de fase

hBTUF

FhBTUTCpFQ HHH 000,130)120250](1000[1111 =°−°

=∆=Η

hBTUF

FhBTUTCpFQ HHHH 000,400)100200](4000[2222 =°−°

=∆=

hBTUF

FhBTUTCpFQ CCCC 000,180)15090](3000[1111 −=°−°

=∆=

hBTUF

FhBTUTCpFQ CCCC 000,360)190130](6000[2222 −=°−°

=∆=

2.1.2. Intervalos de temperatura Para determinar la serie de intervalos a considerar se deberán: i. ordenar de mayor a menor valor la serie de temperaturas de las corrientes calientes y frías Calientes: 250 200 120 100 Frías: 190 150 130 90 ii. sumar y restar el valor del acercamiento mínimo a las temperaturas de las corrientes frías y calientes, respectivamente Calientes - ∆Tmin: 240 190 110 90 Frías + ∆Tmin: 200 160 140 100 iii. ordenar de mayor a menor las serie como sigue: Calientes & Frías + ∆Tmin: 250 200 200 160 140 120 100 100 Frías & Calientes - ∆Tmin: 240 190 190 150 130 110 90 90 iv. eliminar aquellos conjuntos redundantes de temperaturas, por lo que solo quedan los intervalos siguientes Tcalientes [°F] 250 200 160 140 120 100 Tfrías [°F] 240 190 150 130 110 90 2.1.3 Diagrama de cascada Se deberán realizar los balances de energía para cada intervalo de temperaturas, para cada corriente y se calculará la diferencia de energía por intervalo ∆Qk

kiiik TCpFQ ∆= i=1,2,..., No. Corrientes calientes

kjjjk TCpFQ ∆= j=1,2,..., No. Corrientes frías

∑∑==

−=∆ncs

jjk

nhs

iikk QQQ

11 k=1,2,..., No . intervalos

Balance de energía para el conjunto de corrientes K H1 H2 T T C1 C2 ∆T QH1 QH2 QC1 QC2 ∆Qk

Fcp [BTU/h°F]

1000 4000 [°F] [°F] 3000 6000 [°F] [BTU/h] [BTU/h] [BTU/h] [BTU/h] [BTU/h]

0 250 240 1 200 190 50 50,000 0 0 0 50,0002 160 150 40 40,000 160,000 0 240,000 -40,0003 140 130 20 20,000 80,000 60,000 120,000 -80,0004 120 110 20 20,000 80,000 60,000 0 40,0005 100 90 20 0 80,000 60,000 0 20,000

Diagrama de cascada ¿cómo se calculan el consumo mínimo de servicios?

Sugerencia: identifique el remanente más grande negativo y adiciónelo como servicio de calentamiento

2.1.4 Temperatura del punto de pliegue Localice el remanente con valor de cero, ¡allí se tiene el punto de pliegue!

2.1.5 Diagrama temperatura vs entalpía Calculo de balance de energía paral as corrientes calientes y frías para el trazo de las curvas compuestas caliente y fría Corrientes calientes Energía por intervalo

[BTU/h] Energía acumulada

[BTU/h] T = 100 °F H0 = 0 0 T = 120 °F H1 = 4,000(120-100)=80,000 80,000 T = 140 °F H2 = (1,000+4,000)(140-120)=100,000 180,000 T = 160 °F H3 = (1,000+4,000) (160-120)=100,000 280,000 T = 200 °F H4 = (1,000+4,000) (200-160)=200,000 480,000 T = 250 °F H5 = 1,000(250-200)=50,000 530,000 Corrientes frías Energía por intervalo

[BTU/h] Energía acumulada

[BTU/h] T = 90 °F H0 = 60,000 60,000 T = 130 °F H1 = 3,000(130-90)=120,000 180,000 T = 150 °F H2 = (3,000+6,000)(150-130)=180,000 360,000 T = 190 °F H3 = 6000 (190-150)=240,000 600,000

Estimación de áreas de transferencia por medio del diagrama de T vs H

mlm

mm TU

QA

∆=

2

1

21

lnTT

TTTml

∆∆∆−∆

=∆

ji

m

hh

U11

1

+=

Ejercicios I. Reporte

a. El costo mínimo de la red b. La(s) temperatura(s) del(os) punto(s) de pliegue c. Las curvas compuestas caliente y fría d. El área de transferencia e. La red de intercambio

1. ∆TMIN=10 K FCp

[kW/K] Tentrada

[K] Tsalida

[K] Servicio Costo

[$/kW-año] H1 10 450 270 SHP [500 K] 80 C1 5 360 480 SLP [420 K] 20 C2 5 300 400 CW [300 K] 60 C3 4 300 400 Refrig [260 K] 100 2. ∆TMIN=10K FCp

[kW/K] Tentrada

[K] Tsalida

[K] Servicio Costo

[$X10-6/kJ] Máximo

Disponible [kW]

H1 20 700 420 Fuel 5 H2 40 600 310 SHP [500K] 3 1000 H3 70 460 310 SLP [420K] 1.8 500 H4 94 360 310 CW [300 K] 7 C1 50 350 650 C2 180 300 400

Coeficiente global de transferencia de calor Userviciocalentamiento = 0.3505 kW/m2 K Uservicioenfriamiento = 0.2629 kW/m2 K Uproceso-proceso = 0.2629 kW/m2 K Costo de los cambiadores de calor:

)$,( 3.1456 26.0 mACp = Tiempo de operación: 8500 hr/año Rapidez de retorno = 0.1 3. Determinación de la red de intercambio de calor (HEN) Número de unidades = Número de corrientes + Número de servicios –1 Combinaciones factibles: arriba del punto de pliegue: CCHH CpFCpF ≤ abajo del punto de pliegue: CCHH CpFCpF ≥

4. Diseño de la red de intercambio de calor

5. Identificación de ciclos de energía en la red de intercambio de calor

Para la modificación de la carga a lo largo de la trayectoria se recomienda:

1. transferir el calor cruzando el punto de pliegue (+Qentra, +Qsale) 2. Restaurar el acercamiento mínimo

Se selecciona romper el ciclo con el cambiador de calor con la carga más baja ( Q = 20 MBTU/h )

uso de la trayectoria para restaurar el acercamiento mínimo

Revisión de la red

Segunda ruptura de ciclo