Profesor:

Fredy Avellaneda Vargas

SÍNTESIS DE REDES DE

INTERCAMBIADORES DE CALOR

ANÁLISIS DE PROCESOS

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SINTESIS DE PROCESOS

Es la etapa durante el diseño, donde el ing.

químico selecciona las partes componentes del

proceso y las interconexiones entre esas partes

para crear el flowsheet.

SINTESIS DE PROCESOS

Es una tarea de invención de la estructura y la

determinación de las condiciones operativas del

proceso.

Las decisiones tomadas durante esta etapa

influyen y determinan prácticamente el 80% de

los costos de capital y operación que tendrá la

planta en el futuro.

3

Rudd (1968).

SINTESIS DE PROCESOS

Generar herramientas para la síntesis de procesos

que minimicen el esfuerzo para crear, evaluar y

optimizar todas las alternativas posibles para el

mismo, dados solo unos pocos datos a partir de los

cuales el diseño del proceso debe ser originado.

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ETAPAS EN EL PROCESO DE SINTESIS

1. Decidir entre procesos batch versus procesos continuos.

2. Adoptar la estructura de entrada-salida del proceso.

3. Adoptar la estructura de reciclos del proceso (corrientes de reciclo).

4. Adoptar la estructura general del sistema de separación.

a. Sistema de Recuperación de Vapor

b. Sistema de Separación de Líquidos

5. Diseñar la estructura que permita la integración energética a los efectos de minimizar el consumo.

5

(Douglas, 1988)

HIDRODEALQUILACIÓN DE TOLUENO PARA

PRODUCIR BENCENO (PROCESO HDA)

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Las reacciones y condiciones necesarias son las

siguientes:

Tolueno + H2 <==> Benceno + CH4

2 Benceno <==> Difenilo + H2

Condiciones de reacción: La reacción se lleva a cabo en

un reactor a una temperatura de 1150 a 1300 ºF (620 –

704 ºC) con una presión de 500 psia. Y con una relación

de reactantes en la alimentación de: H2/Tolueno = 5, a

fin de evitar la formación de coque en el reactor.

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ENTREADAS Y SALIDAS

DIAGRAMA DE FLUJO CON SISTEMA DE

SEPARACIÓN Y RECICLO

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SISTEMAS DE SEPARACIÓN

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PROCESO HDA SIN INTEGTRACCION ENERGETICA

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PROCESO HDA CON INTEGTRACCION ENERGETICA

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INTRODUCCIÓN

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En la ingeniería de procesos industriales existen dos

problemas de diseño que el ingeniero tiene que

resolver:

a) El diseño de las operaciones unitarias.

b) El diseño del sistema completo.

Actualmente la industria tiene la capacidad de encontrar

el diseño óptimo para componentes individuales, pero no

del diseño global.

INTRODUCCIÓN

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Las principales líneas de investigación para el diseño

integrado de proceso tienen como base el tratamiento de:

Programación matemática (trabajan con funciones

objetivo y modelos matemáticos)

El tratamiento termodinámico (en el cual se encuentra

el análisis de pliegue)

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Los altos costos de la energía han motivado el

desarrollo de procesos con uso eficiente de energía

El ahorro de servicios industriales (vapor y agua de

enfriamiento) ofrece un potencial interesante para

mejorar la economía de un proceso.

Esto puede requerir un numero adicional de

intercambiadores de calor; sin embargo el ahorro en el

costo de requerimientos energéticos en la mayoría de

los casos compensa en exceso el costo adicional del

equipo.

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Una vez conocidas las variables en las corriente del proceso:

• Las temperaturas

• Los caudales

• Las composición

• El estado de agregación y

• El contenido calórico .

Y por otro lado:

Las demandas de potencia para bombeo y compresión, es

posible integrar toda la energía puesta en juego en el proceso.

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De manera tal que el calor de las corrientes que

necesitan ser enfriadas ó condensadas nos permita

calentar las corrientes frías que necesitan ser

calentadas ó vaporizadas, además de proveer

potencia a los compresores desde las turbinas y

maquinas térmicas cuando ello es posible.

Si bien la integración energética final del proceso se

lleva a cabo en la etapa de diseño detallado del

proceso, cuando se conocen los balances rigurosos de

calor y materia, en aquellos procesos que son

energéticamente intensivos, la integración energética

es imprescindible en la etapa de síntesis preliminar

del flow, porque muchas veces define la diferencia

entre dos alternativas posibles para un mismo

proceso.

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A fin de simplificar el análisis vamos a despreciar

la posibilidad de utilizar las corrientes de alto

contenido energético para satisfacer demandas de

potencia y nos concentramos en la síntesis de una

Red de Intercambio Calórico (RIC) lo más

eficiente posible.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

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El problema de la síntesis de RIC se puede formular de la

siguiente manera:

• Dadas las N1 corrientes calientes de proceso con temperatura

de entrada (fuente) y salida (objetivo) conocidas: Tshi y Tthi , i

= 1,..., N1 que deben ser enfriadas

• Y por N2 corrientes frías de proceso con temperaturas de

entrada y salida conocidas: Tscj y Ttcj , j = 1,..., N2 que

requieren calentamiento.

EL OBJETIVO ES ENCONTRAR UNA RIC QUE

SATISFAGA LOS REQUERIMIENTOS DE

TEMPERATURAS FINALES A UN COSTO MÍNIMO.

DIFICULTADES

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Dado que por lo general el requerimiento de enfriamiento

de las corrientes calientes no es igual a la disponibilidad

de las corrientes frías, que algunas temperaturas de

entrada no son lo suficientemente altas o bajas para

lograr las temperaturas de salida deseadas, y que existen

otras restricciones de proceso, resulta siempre necesario

proveer uno o más intercambiadores de calor auxiliares

para calentamiento o enfriamiento, que utilizan servicios

auxiliares de vapor (agua caliente) o agua de

enfriamiento.

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Por lo general a la red de intercambio entre corrientes de

proceso, se la conoce como Red Interna o Interior, y a los

intercambios entre corrientes de procesos y servicios

auxiliares como Red Auxiliar. En figura , se muestran

esquemáticamente ambas redes.

EL CONCEPTO DE ∆T MÍNIMA

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• Se infiere que debe haber una diferencia de

temperatura en el extremo crítico del intercambiador

que proporciona el mejor compromiso entre el costo

de servicio y el costo del equipo.

• Este concepto, el de establecer una diferencia mínima

de temperaturas entre corrientes que intercambian

calor (∆Tmin), es esencial para el diseño de cualquier

RIC

• Es muy común tomar, en forma heurística, un valor

de ∆Tmin de 10 a 20°F (-12 a -6°C)

COSTO DE UN INTERCAMBIADOR

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El costo puede estimarse a partir de una correlación

exponencial basada en el área de transferencia de calor,

donde el área se calcula como:

Q: Es el calor transferido,

U: Es un coeficiente total de transferencia,

FT: Factor de corrección para intercambiadores de múltiples pasos,

ΔTLM: es la diferencia de temperatura logarítmica media.

Para propósitos de evaluación de alternativas, se utilizan valores

promedios o genéricos para U y FT.

USO DE DIAGRAMAS DE CONTENIDO

DE CALOR

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El enfoque es heurístico y no garantiza una solución

óptima, pero proporciona una manera de entender la

lógica para la solución del problema (Rudd et al).

El método consiste en graficar el contenido de calor de

cada corriente (WCp) vs ΔT

El área de cada bloque representa la cantidad de

energía que cada corriente tiene disponible (para

corrientes calientes) o que necesita (para corrientes

frías). Se sugiere proponer intercambios de calor de

acuerdo a la siguiente regla heurística:

REGLA HEURÍSTICA

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“Eligiendo un valor adecuado de (∆Tmin) proponer el

primer intercambio entre la corriente más caliente a

enfriarse y la parte más caliente de cualquier corriente

fría a calentarse. Preservar ese orden en los siguientes

intercambios hasta donde sea posible”

EJEMPLO DE DIAGRAMAS DE CONTENIDO DE CALOR

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DIAGRAMA DE CONTENIDO DE CALOR

26

Jiménez Gutiérrez, A., Libro, Diseño de Procesos en Ingeniería Química. Ed.

Reverté, 2003.

ASIGNACIÓN DE INTERCAMBIO DE CALOR DE LAS

CORRIENTES

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RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

28

El costo de

operación de la RIC

es de 16.304 $/año

lo que representa

una reducción

superior al 80%

TAREA

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TAREA

30

31

GRACIAS